Die Anzahl der pro von Voyager 1 übertragenem Bit empfangenen Photonen
Frage
- Fragesteller: Craig Gidney
- Inhalt der Frage: Es geht um die Frage, wie viele Photonen pro Bit gesendet und empfangen werden, wenn Voyager 1 eine Nachricht zur Erde schickt.
Antwort 1
Für die Berechnung nötige Faktoren
- Empfänger: 70-m-Parabolantenne (z. B. CDSCC des Deep Space Network)
- Übertragungsfrequenz: 2,3 GHz oder 8,4 GHz (hier wird 8,4 GHz angenommen)
- Empfangene Photonen: entweder alle Photonen, die die Antennenschüssel erreichen, oder die Photonen, die in die elektronische Schaltung gelangen
Antwort
- Übertragungsrate: Voyager 1 sendet mit 160 Bit/s bei 23 W
- Gesendete Photonenzahl: Bei einer Frequenz von 8,3 GHz sind das 4×10²⁴ Photonen/s bzw. 2,6×10²² Photonen pro Bit
- Empfangene Photonenzahl: Die auf der Erde ankommende Leistung beträgt 3,4×10⁻²² W/m²; die von einer 70-m-Parabolantenne gesammelte Leistung beträgt 1,3 Attowatt (1,3×10⁻¹⁸ W), also etwa 1500 Photonen pro Bit
- Erforderliche Photonenzahl: Unter Berücksichtigung von thermischem Rauschen und Schaltungsrauschen werden bei 8,3 GHz etwa 25 Photonen pro Bit benötigt
Antwort 2
Zusätzliche Informationen
- Antennenmaterial: kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, nicht metallisiert
- Effizienz: Die Effizienz der Schüsseloberfläche liegt bei etwa 25 %, der tatsächliche Wert kann 3–5 dB unter dem berechneten Wert liegen
- Übertragungsrate: Engineering-Traffic wird mit 40 Bit/s übertragen und hat eine höhere Reserve als der wissenschaftliche Datenstrom
Meinung von GN⁺
- Interessanter Punkt: Dass Voyager 1 noch immer mit der Erde kommunizieren kann, ist eine bemerkenswerte Leistung der Raumfahrt.
- Technische Herausforderung: Signale aus so großer Entfernung zu empfangen, ist extrem schwierig und zeigt die Fortschritte bei Antennentechnik und Signalverarbeitung.
- Praktische Überlegungen: Um die Effizienz des Signalempfangs in der Raumfahrt zu steigern, sind größere Antennen und bessere Technologien zur Rauschunterdrückung nötig.
- Verwandte Technologien: Ähnliche Technologien kommen auch bei anderen Raumsonden zum Einsatz und sind ein wichtiger Bestandteil der Weltraumkommunikation.
- Kritische Perspektive: Der Einsatz von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff könnte die Effizienz verringern und damit die langfristige Kommunikation beeinflussen.
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Erster Kommentar: Ich hätte nicht gedacht, dass die Frage auf Hacker News so beliebt werden würde. Ich wollte Beispiele für den Einsatz von Wiederholungscodes sammeln, während ich an Quanten-Fehlerkorrektur arbeitete. Quantencomputing ist schwierig, weil Wiederholung das Problem eher verschlimmert. Um es zu schützen, braucht man besondere physikalische Eigenschaften oder komplexe Strategien zur Fehlerkorrektur.
Zweiter Kommentar: Man kann die Shannon-Grenze übertreffen. Shannon geht von gaußschem Rauschen aus, aber wenn man einen Photonenzähl-Empfänger verwendet, muss man eine Poisson-Verteilung annehmen. Mit PPM-Format und Photonenzählern kann man bessere Leistung erzielen.
Dritter Kommentar: Für alle, die sich für die letztendlichen Grenzen der Kommunikation interessieren, empfehle ich die Arbeit von Jim Gordon. Sie ist auch ohne Physikabschluss leicht verständlich. Gordon hätte einen Nobelpreis verdient, hat ihn aber nicht bekommen.
Vierter Kommentar: Der Hauptgrund für Verluste ist, dass sich die abgestrahlte Energie der Antenne über ein weites Gebiet verteilt. Ich frage mich, ob heutige Raumsonden mit Lasern kommunizieren könnten. Laser könnten die Richtwirkung des Signals stark verbessern.
Fünfter Kommentar: Ich habe mit einer Frage zu den Voyager-Raumsonden angefangen und bin dann tief eingestiegen. Ich habe ein PDF gefunden, das die technischen Details leicht verständlich erklärt.
Sechster Kommentar: Ich habe nie darüber nachgedacht, wie Voyager mit der Erde kommuniziert. Wenn Voyager Photonen zur Erde sendet, frage ich mich, wie die Empfangsseite diese Photonen erkennt und das Signal dekodiert.
Siebter Kommentar: Ich hätte nicht gedacht, dass die Mathematik so einfach ist. Ich frage mich, ob der Autor etwas nicht berücksichtigt hat oder ob dieser Rahmen angemessen ist.
Achter Kommentar: Sehr interessant. Aber 1500 Photonen, die den Empfänger erreichen, erscheinen mir viel zu wenig, sodass das Signal wohl im Rauschen untergehen würde. Ich frage mich, ob Voyager das Signal mehrfach wiederholt sendet. Ich würde gern wissen, wo man mehr Informationen dazu finden kann.
Neunter Kommentar: Die Zahl der empfangenen Photonen bei der Radarbildgebung von Asteroiden ist beeindruckend. Asteroiden sind zwar näher, aber die im Radar-Gleichung berechnete Empfangsleistung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Entfernung.
Zehnter Kommentar: Das Interessante an Photonen ist, dass sie vielleicht gar nicht existieren. Das elektromagnetische Feld ist auf Photonenniveau nicht quantisiert. Photonen existieren nur, wenn das elektromagnetische Feld mit Materie wechselwirkt. Ich frage mich, was man in Einzelphotonen-Experimenten tatsächlich misst.