摘要：携带轨道角动量（OAM）的电磁波被称为涡旋电磁波，可进一步分为量子态OAM电磁波和统计态OAM电磁波2种。其中，量子态OAM电磁波中每位电磁波量子的内禀OAM不为零，可借助OAM化学量产生无线传输新维度；统计态OAM电磁波则是借助电磁波量子的外部OAM产生具有正交螺旋相位面的统计态杂波，因为统计态杂波与空域的紧耦合关系，可以被觉得是多天线MIMO系统特例。介绍了量子态OAM电磁波和统计态OAM电磁波的传输技术及通讯体制，说明了借助OAM维度可赶超传统多天线MIMO容量界后产生富含OAM维度的新MIMO容量界。
关键词：6G；轨道角动量；涡旋电磁波；无线通讯；电磁波量子
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.002
概述
随着信息技术的发展，人们对通讯质量提出了更高的要求，针对后5代（B5G）和第6代（6G）联通通讯技术的研究早已在全球业界积极展开。欧共体的地平线2020计划（）对B5G项目进行了捐助。俄罗斯的联邦通讯委员会（FCC）开放了THz频段并已经开始6G研究。俄罗斯举行了首个6G无线通讯全球论坛。国际联通联盟（ITU）则创立了专门的研究小组。
在国外，住建部于2019年促使创立了推动组，致力促进中国6G通讯技术研究，成员包括国外主要营运商和制造商，以及相关院校和研究机构。
通常觉得，6G的典型指标包括1Tbit/s峰值速度，μs级别延时，数倍于5G联通通讯网路的频谱效率等。相对于5G通讯网路而言，6G通讯网路性能有着明显提高。为了满足6G需求，业界积极探求新的无线通讯资源和技巧，提出了潜在关键技术。其中，轨道角动量（OAM）作为电磁波无线传输新数学维度遭到了较为广泛的关注。
OAM是电磁波的固有化学属性，OAM的数学量纲（ML2T-1）和电场硬度的化学量纲（MLT-3I-1）线性无关（其中M为质量，L为宽度，T为体温，I为电压），所以彼此独立。精典电动热学和量子电动热学（QED）理论均强调，电磁波角动量包括载流子角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。载流子角动量表征了电磁波极化，OAM则表征了电磁波的波包在空间中的旋转特点。具有OAM的电磁波又被称为涡旋电磁波，携带不同OAM模态的涡旋电磁波具备正交特点，借助该特点进行无线传输可以极大地提高频谱效率和传输容量。
OAM可进一步分为内禀OAM（）和外部OAM（）。电磁波从微观上看是由大量电磁波量子构成的，内禀OAM表征了电磁波量子波包针对其中心产生的OAM，外部OAM则是针对定义的座标系产生的OAM。因而内禀OAM不会随着外界空间座标系的不同而发生变化量子传输技术，但外部OAM则会发生相应变化。假如将地月系统称作电磁波量子，则月球自转可表示载流子角动量，地球绕月球公转表示内禀OAM，地月系统绕太阳公转表示外部OAM。
依据主要借助内禀OAM还是外部OAM，涡旋电磁波可分为量子态OAM电磁波和统计态OAM电磁波。量子态OAM电磁波由内禀OAM不为零的涡旋电磁波量子构成；统计态OAM电磁波则是由内禀OAM为零的大量平面电磁波量子统计建立成具有螺旋相位面的涡旋杂波产生，其实质上借助的是电磁波量子的外部OAM。
量子态OAM电磁波不能采用传统天线（阵列）形成，须要通过专用装置形成和测量涡旋电磁波量子所携带的OAM模态。量子态OAM电磁波的理论基础主要为量子热学和量子电动热学。因为借助的是电磁波量子的内禀OAM，量子态OAM本质地反映了涡旋电磁波的OAM化学特点，可借助OAM化学量产生无线传输新维度，急剧增强频谱效率，是从电磁波（光波）OAM被提出以来最重要的研究对象。
图1涡旋电磁波相位面及其能量分布
统计态OAM电磁波可由OAM专用天线或天线阵列形成。由于传统天线只能幅射平面电磁波量子，产生平面波（球面波）量子传输技术，所以微观上看统计态OAM电磁波是由大量不同相位的平面电磁波量子构造出的具有正交螺旋相位面的杂波，如图1所示，即统计意义上的合成杂波，其理论基础主要来始于精典电动热学。统计态OAM电磁波发送和接收都是借助天线，所以直接检测的还是电磁波的电场硬度，并不是OAM。只能通过电场硬度来间接估算OAM模态，导致统计态杂波与空域的紧耦合，没有真正彰显出OAM所具备的化学新维度特点。因而，对于统计态OAM电磁波，仍然有观点觉得其可以被视为多天线MIMO的特例。
本文概述了电磁波OAM传输技术发展历史，指出了量子态OAM电磁波和统计态OAM电磁波概念内涵的差异，介绍了基于量子态OAM电磁波和统计态OAM电磁波传输技术和通讯体制，讨论了相应的信道容量，明晰了涡旋电磁波OAM传输技术的主要优点。