Số photon nhận được trên mỗi bit mà Voyager 1 truyền đi
Câu hỏi
- Người hỏi: Craig Gidney
- Nội dung câu hỏi: Thắc mắc số photon được truyền và nhận trên mỗi bit là bao nhiêu khi Voyager 1 gửi thông điệp về Trái Đất.
Trả lời 1
Các yếu tố cần cho phép tính
- Bộ thu: Ăng-ten chảo 70m (ví dụ: CDSCC của Deep Space Network)
- Tần số truyền: 2.3GHz hoặc 8.4GHz (giả sử 8.4GHz)
- Photon nhận được: Tất cả photon đến chảo ăng-ten hoặc photon đi vào mạch điện tử
Trả lời
- Tốc độ truyền: Voyager 1 truyền ở 160 bit/giây, 23W
- Số photon truyền: Ở tần số 8.3GHz là 4×10²⁴ photon/giây, tương đương 2.6×10²² photon mỗi bit
- Số photon nhận: Công suất đến Trái Đất là 3.4×10⁻²² W/m², công suất được chảo ăng-ten 70m thu là 1.3 attowatt (1.3×10⁻¹⁸W), khoảng 1500 photon mỗi bit
- Số photon cần thiết: Khi tính đến nhiễu nhiệt và nhiễu mạch, ở 8.3GHz cần khoảng 25 photon mỗi bit
Trả lời 2
Thông tin bổ sung
- Vật liệu ăng-ten: Nhựa gia cường sợi carbon, không được mạ kim loại
- Hiệu suất: Hiệu suất bề mặt chảo khoảng 25%, có thể thấp hơn giá trị tính toán từ 3-5dB
- Tốc độ truyền: Lưu lượng kỹ thuật được truyền ở 40 bit/giây, có biên độ an toàn cao hơn luồng dữ liệu khoa học
Ý kiến của GN⁺
- Điểm thú vị: Việc Voyager 1 vẫn có thể liên lạc với Trái Đất là một thành tựu đáng kinh ngạc của thám hiểm vũ trụ.
- Thách thức kỹ thuật: Việc thu tín hiệu từ khoảng cách rất xa là một nhiệm vụ cực kỳ khó, cho thấy sự phát triển của công nghệ ăng-ten và xử lý tín hiệu.
- Cân nhắc thực tiễn: Để nâng cao hiệu quả thu tín hiệu trong thám hiểm vũ trụ, cần các ăng-ten lớn hơn và công nghệ xử lý nhiễu tốt hơn.
- Công nghệ liên quan: Các tàu thăm dò vũ trụ khác cũng sử dụng công nghệ tương tự, và đây là một phần quan trọng của thông tin liên lạc vũ trụ.
- Góc nhìn phê phán: Việc sử dụng nhựa gia cường sợi carbon có thể làm giảm hiệu suất, và điều này có thể ảnh hưởng đến liên lạc dài hạn.
1 bình luận
Ý kiến Hacker News
Bình luận đầu tiên: Không ngờ câu hỏi này lại được quan tâm trên Hacker News. Tôi đang cố thu thập các ví dụ về việc sử dụng mã lặp khi làm việc với sửa lỗi lượng tử. Điện toán lượng tử khó ở chỗ việc lặp lại lại còn làm vấn đề tệ hơn. Để bảo vệ khỏi điều đó, cần có các thuộc tính vật lý đặc biệt hoặc những chiến lược sửa lỗi phức tạp.
Bình luận thứ hai: Có thể vượt qua giới hạn Shannon. Shannon giả định nhiễu Gaussian, nhưng nếu dùng bộ thu đếm photon thì phải dùng phân bố Poisson. Nếu sử dụng định dạng PPM và bộ đếm photon, có thể đạt hiệu năng tốt hơn.
Bình luận thứ ba: Với những ai quan tâm đến giới hạn tối hậu của truyền thông, tôi khuyên nên đọc bài báo của Jim Gordon. Ngay cả khi không có bằng vật lý cũng khá dễ hiểu. Gordon xứng đáng nhận giải Nobel nhưng đã không nhận được.
Bình luận thứ tư: Nguyên nhân tổn hao chính là năng lượng bức xạ của ăng-ten bị phân tán trên một vùng rất rộng. Tôi tự hỏi liệu các tàu thăm dò ngày nay có thể dùng laser để liên lạc hay không. Laser có thể cải thiện đáng kể tính định hướng của tín hiệu.
Bình luận thứ năm: Tôi bắt đầu với một câu hỏi về tàu thăm dò không gian Voyager rồi càng tìm hiểu càng bị cuốn vào. Tôi đã tìm thấy một file PDF giải thích các chi tiết kỹ thuật theo cách dễ hiểu.
Bình luận thứ sáu: Tôi chưa từng nghĩ về việc Voyager liên lạc với Trái Đất như thế nào. Nếu Voyager gửi photon về Trái Đất, tôi tò mò không biết phía thu nhận ra các photon đó và giải mã tín hiệu bằng cách nào.
Bình luận thứ bảy: Tôi không ngờ phép toán lại đơn giản đến vậy. Tôi tự hỏi liệu tác giả có bỏ sót điều gì không, hay phạm vi đó là hợp lý.
Bình luận thứ tám: Rất thú vị. Nhưng 1500 photon đến được bộ thu có vẻ quá ít, nên tín hiệu dường như sẽ bị chìm trong nhiễu. Tôi tự hỏi liệu Voyager có phát lặp lại tín hiệu nhiều lần không. Tôi muốn biết có thể tìm thêm thông tin ở đâu.
Bình luận thứ chín: Số photon thu được trong ảnh radar của tiểu hành tinh thật ấn tượng. Tiểu hành tinh thì ở gần hơn, nhưng công suất thu trong phương trình radar lại tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của khoảng cách.
Bình luận thứ mười: Điều thú vị về photon là có thể chúng không hề tồn tại. Trường điện từ không bị lượng tử hóa ở mức photon. Photon chỉ tồn tại khi trường điện từ tương tác với vật chất. Tôi tò mò trong các thí nghiệm photon đơn, người ta thực sự đang đo cái gì.