La cantidad de fotones recibidos por bit que transmite Voyager 1
Pregunta
- Autor de la pregunta: Craig Gidney
- Contenido de la pregunta: Tiene curiosidad por saber cuántos fotones se transmiten y se reciben por bit cuando Voyager 1 envía mensajes a la Tierra.
Respuesta 1
Elementos necesarios para el cálculo
- Receptor: antena parabólica de 70 m (por ejemplo, la CDSCC de la Deep Space Network)
- Frecuencia de transmisión: 2.3 GHz u 8.4 GHz (se asume 8.4 GHz)
- Fotones recibidos: todos los fotones que llegan al plato de la antena o los fotones que entran en los circuitos electrónicos
Respuesta
- Velocidad de transmisión: Voyager 1 transmite a 160 bits/seg, con 23 W
- Número de fotones transmitidos: a una frecuencia de 8.3 GHz, 4×10²⁴ fotones/seg, y 2.6×10²² fotones por bit
- Fotones recibidos: la potencia que llega a la Tierra es 3.4×10⁻²² W/m², la potencia recolectada por una antena parabólica de 70 m es 1.3 attowatts (1.3×10⁻¹⁸ W), aproximadamente 1500 fotones por bit
- Número de fotones necesarios: considerando el ruido térmico y el ruido de los circuitos, se requieren aproximadamente 25 fotones por bit a 8.3 GHz
Respuesta 2
Información adicional
- Material de la antena: plástico reforzado con fibra de carbono, no metalizado
- Eficiencia: la eficiencia de la superficie del plato es de aproximadamente 25%, por lo que podría estar 3-5 dB por debajo del valor calculado
- Velocidad de transmisión: el tráfico de ingeniería se transmite a 40 bits/seg, con un margen mayor que el flujo científico
Opinión de GN⁺
- Punto interesante: el hecho de que Voyager 1 todavía pueda comunicarse con la Tierra sigue siendo un logro asombroso de la exploración espacial.
- Desafío técnico: recibir una señal desde una distancia tan grande es una tarea extremadamente difícil, y demuestra los avances en tecnología de antenas y procesamiento de señales.
- Consideración práctica: para mejorar la eficiencia de la recepción de señales en la exploración espacial, se necesitan antenas más grandes y mejores técnicas de manejo del ruido.
- Tecnología relacionada: en otras sondas espaciales también se utilizan tecnologías similares, y esto constituye una parte importante de las comunicaciones espaciales.
- Perspectiva crítica: el uso de plástico reforzado con fibra de carbono podría reducir la eficiencia, y eso puede afectar la comunicación a largo plazo.
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Primer comentario: No esperaba que la pregunta se volviera popular en Hacker News. Estaba tratando de recopilar ejemplos del uso de códigos de repetición mientras trabajaba en corrección de errores cuánticos. La computación cuántica es difícil porque la repetición más bien empeora el problema. Para protegerla, se necesitan propiedades físicas especiales o estrategias complejas de corrección de errores.
Segundo comentario: Se puede superar el límite de Shannon. Shannon asume ruido gaussiano, pero si se usa un receptor de conteo de fotones, se debe usar una distribución de Poisson. Con un formato PPM y contadores de fotones se puede obtener un mejor rendimiento.
Tercer comentario: Para quienes estén interesados en los límites últimos de la comunicación, recomienda el artículo de Jim Gordon. Es fácil de entender incluso sin un título en física. Gordon merecía un Nobel, pero no lo recibió.
Cuarto comentario: La principal causa de pérdida es que la energía radiada por la antena se dispersa sobre un área amplia. Se pregunta si las sondas actuales podrían comunicarse usando láser. El láser podría mejorar mucho la direccionalidad de la señal.
Quinto comentario: Haciendo preguntas sobre la sonda espacial Voyager terminó metiéndose muy a fondo en el tema. Encontró un PDF que explica los detalles técnicos de manera fácil de entender.
Sexto comentario: Nunca había pensado en cómo Voyager se comunica con la Tierra. Si Voyager envía fotones a la Tierra, se pregunta cómo el receptor reconoce esos fotones y decodifica la señal.
Séptimo comentario: No esperaba que las matemáticas fueran tan simples. Se pregunta si hay algo que el autor no haya considerado o si ese alcance es razonable.
Octavo comentario: Muy interesante. Pero parece que 1500 fotones llegando al receptor es demasiado poco y que la señal se perdería en el ruido. Se pregunta si Voyager envía la señal repetida varias veces. Le gustaría saber dónde encontrar más información.
Noveno comentario: La cantidad de fotones recibidos en la obtención de imágenes de radar de asteroides es impresionante. Los asteroides están más cerca, pero la potencia recibida en la ecuación de radar es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia.
Décimo comentario: Lo interesante de los fotones es que puede que ni siquiera existan. El campo electromagnético no está cuantizado a nivel de fotones. Los fotones solo existen cuando el campo electromagnético interactúa con la materia. Se pregunta qué es lo que realmente se mide en los experimentos de un solo fotón.