จำนวนโฟตอนที่ได้รับต่อบิตจากการส่งสัญญาณของ Voyager 1
คำถาม
- ผู้ถาม: Craig Gidney
- เนื้อหาคำถาม: สงสัยว่าเมื่อ Voyager 1 ส่งข้อความมายังโลก จะมีจำนวนโฟตอนที่ถูกส่งและได้รับต่อบิตมากเท่าใด
คำตอบ 1
องค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการคำนวณ
- ตัวรับสัญญาณ: เสาอากาศจานรับขนาด 70 เมตร (เช่น CDSCC ของ Deep Space Network)
- ความถี่ส่งสัญญาณ: 2.3GHz หรือ 8.4GHz (สมมติว่าเป็น 8.4GHz)
- โฟตอนที่ได้รับ: โฟตอนทั้งหมดที่ไปถึงจานเสาอากาศ หรือโฟตอนที่เข้าสู่วงจรอิเล็กทรอนิกส์
คำตอบ
- อัตราการส่งข้อมูล: Voyager 1 ส่งที่ 160 บิต/วินาที ด้วยกำลัง 23W
- จำนวนโฟตอนที่ส่ง: ที่ความถี่ 8.3GHz มี 4×10²⁴ โฟตอน/วินาที หรือ 2.6×10²² โฟตอนต่อบิต
- จำนวนโฟตอนที่ได้รับ: กำลังที่ไปถึงโลกคือ 3.4×10⁻²² W/m², กำลังที่เก็บได้ด้วยเสาอากาศจานรับ 70 เมตรคือ 1.3 แอทโทวัตต์ (1.3×10⁻¹⁸W), ประมาณ 1500 โฟตอนต่อบิต
- จำนวนโฟตอนที่ต้องใช้: เมื่อคำนึงถึง thermal noise และ circuit noise ต้องใช้ประมาณ 25 โฟตอนต่อบิตที่ 8.3GHz
คำตอบ 2
ข้อมูลเพิ่มเติม
- วัสดุของเสาอากาศ: พลาสติกเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ไม่ได้เคลือบโลหะ
- ประสิทธิภาพ: ประสิทธิภาพของพื้นผิวจานรับอยู่ที่ประมาณ 25% และอาจต่ำกว่าค่าที่คำนวณไว้ 3-5dB
- อัตราการส่งข้อมูล: ทราฟฟิกด้านวิศวกรรมส่งที่ 40 บิต/วินาที ซึ่งมีมาร์จินสูงกว่าสตรีมข้อมูลวิทยาศาสตร์
ความเห็นของ GN⁺
- จุดที่น่าสนใจ: ความจริงที่ว่า Voyager 1 ยังสามารถสื่อสารกับโลกได้อยู่ เป็นความสำเร็จอันน่าทึ่งของการสำรวจอวกาศ
- ความท้าทายทางเทคนิค: การรับสัญญาณจากระยะไกลมากเป็นงานที่ยากอย่างยิ่ง และแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเสาอากาศและการประมวลผลสัญญาณ
- ข้อพิจารณาเชิงปฏิบัติ: เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณในการสำรวจอวกาศ จำเป็นต้องมีเสาอากาศที่ใหญ่ขึ้นและเทคโนโลยีจัดการสัญญาณรบกวนที่ดีกว่า
- เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง: ยานสำรวจอวกาศลำอื่นก็ใช้เทคโนโลยีลักษณะคล้ายกัน และนี่เป็นส่วนสำคัญของการสื่อสารอวกาศ
- มุมมองเชิงวิพากษ์: การใช้พลาสติกเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์อาจทำให้ประสิทธิภาพลดลง ซึ่งอาจส่งผลต่อการสื่อสารระยะยาว
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นใน Hacker News
ความคิดเห็นแรก: ไม่คิดว่าคำถามนี้จะได้รับความนิยมใน Hacker News กำลังพยายามรวบรวมตัวอย่างการใช้ repetition code ระหว่างทำงานด้าน quantum error correction การคำนวณควอนตัมยากก็เพราะการทำซ้ำกลับทำให้ปัญหาแย่ลง จึงต้องอาศัยคุณสมบัติทางกายภาพแบบพิเศษหรือกลยุทธ์การแก้ไขข้อผิดพลาดที่ซับซ้อนเพื่อปกป้องมัน
ความคิดเห็นที่สอง: สามารถก้าวข้ามขีดจำกัดของ Shannon ได้ Shannon ตั้งสมมติฐานว่าเป็น Gaussian noise แต่ถ้าใช้ตัวรับแบบ photon counting ก็ต้องใช้การกระจายแบบ Poisson หากใช้รูปแบบ PPM และ photon counter ก็จะได้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า
ความคิดเห็นที่สาม: สำหรับคนที่สนใจขีดจำกัดสูงสุดของการสื่อสาร ขอแนะนำงานวิจัยของ Jim Gordon เข้าใจได้ไม่ยากแม้ไม่มีปริญญาด้านฟิสิกส์ Gordon สมควรได้รับรางวัลโนเบลแต่ไม่ได้รับ
ความคิดเห็นที่สี่: สาเหตุหลักของการสูญเสียคือพลังงานที่แผ่ออกจากเสาอากาศกระจายไปในพื้นที่กว้าง สงสัยว่ายานสำรวจในปัจจุบันจะสามารถใช้เลเซอร์เพื่อสื่อสารได้หรือไม่ เลเซอร์ช่วยปรับปรุงทิศทางของสัญญาณได้อย่างมาก
ความคิดเห็นที่ห้า: เริ่มจากตั้งคำถามเกี่ยวกับยานสำรวจอวกาศ Voyager แล้วก็หลุดลึกลงไป พบ PDF ที่อธิบายรายละเอียดทางเทคนิคได้เข้าใจง่าย
ความคิดเห็นที่หก: ไม่เคยคิดมาก่อนว่า Voyager สื่อสารกับโลกอย่างไร ถ้า Voyager ส่งโฟตอนมายังโลก ฝั่งรับจะรับรู้โฟตอนนั้นและถอดรหัสสัญญาณได้อย่างไร
ความคิดเห็นที่เจ็ด: ไม่คิดว่าคณิตศาสตร์จะเรียบง่ายขนาดนั้น สงสัยว่ามีอะไรที่ผู้เขียนไม่ได้พิจารณาหรือไม่ หรือขอบเขตนั้นสมเหตุสมผลแล้ว
ความคิดเห็นที่แปด: น่าสนใจมาก แต่โฟตอน 1500 ตัวที่ไปถึงตัวรับดูน้อยเกินไปจนสัญญาณน่าจะจมหายไปกับสัญญาณรบกวน สงสัยว่า Voyager ส่งสัญญาณเดิมซ้ำหลายครั้งหรือไม่ และอยากรู้ว่าจะหาข้อมูลเพิ่มเติมได้จากที่ไหน
ความคิดเห็นที่เก้า: จำนวนโฟตอนที่ได้รับจากการสร้างภาพเรดาร์ของดาวเคราะห์น้อยนั้นน่าประทับใจ แม้ดาวเคราะห์น้อยจะอยู่ใกล้กว่า แต่กำลังรับตามสมการเรดาร์แปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสี่
ความคิดเห็นที่สิบ: ประเด็นที่น่าสนใจเกี่ยวกับโฟตอนคือมันอาจไม่ได้มีอยู่จริง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้ถูกควอนไทซ์ในระดับโฟตอน โฟตอนมีอยู่ก็ต่อเมื่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กับสสารเท่านั้น สงสัยว่าในการทดลองโฟตอนเดี่ยว จริง ๆ แล้วเราวัดอะไรกันแน่