Número de fótons recebidos por bit transmitido pela Voyager 1
Pergunta
- Perguntante: Craig Gidney
- Conteúdo da pergunta: Curiosidade sobre quantos fótons são transmitidos e recebidos por bit quando a Voyager 1 envia mensagens para a Terra.
Resposta 1
Elementos necessários para o cálculo
- Receptor: antena parabólica de 70 m (por exemplo, a CDSCC da Deep Space Network)
- Frequência de transmissão: 2,3 GHz ou 8,4 GHz (assumindo 8,4 GHz)
- Fótons recebidos: todos os fótons que chegam ao prato da antena ou os fótons que entram no circuito eletrônico
Resposta
- Taxa de transmissão: a Voyager 1 transmite a 160 bits/s, com 23 W
- Número de fótons transmitidos: na frequência de 8,3 GHz, 4×10²⁴ fótons/s, ou 2,6×10²² fótons por bit
- Número de fótons recebidos: a potência que chega à Terra é de 3,4×10⁻²² W/m², e a potência coletada por uma antena parabólica de 70 m é de 1,3 attowatt (1,3×10⁻¹⁸ W), cerca de 1500 fótons por bit
- Número de fótons necessário: considerando ruído térmico e ruído do circuito, são necessários cerca de 25 fótons por bit em 8,3 GHz
Resposta 2
Informações adicionais
- Material da antena: plástico reforçado com fibra de carbono, não metalizado
- Eficiência: a eficiência da superfície do prato é de cerca de 25%, podendo ficar 3-5 dB abaixo do valor calculado
- Taxa de transmissão: o tráfego de engenharia é transmitido a 40 bits/s, com margem maior do que o fluxo científico
Opinião do GN⁺
- Ponto interessante: o fato de a Voyager 1 ainda conseguir se comunicar com a Terra é um feito impressionante da exploração espacial.
- Desafio técnico: receber sinais a uma distância tão grande é uma tarefa extremamente difícil, o que demonstra avanços em tecnologia de antenas e processamento de sinais.
- Considerações práticas: para aumentar a eficiência da recepção de sinais em exploração espacial, são necessárias antenas maiores e melhores técnicas de tratamento de ruído.
- Tecnologias relacionadas: tecnologias semelhantes também são usadas em outras sondas espaciais, e isso é uma parte importante das comunicações espaciais.
- Visão crítica: o uso de plástico reforçado com fibra de carbono pode reduzir a eficiência, o que pode afetar a comunicação no longo prazo.
1 comentários
Comentários do Hacker News
Primeiro comentário: Não imaginava que a pergunta faria sucesso no Hacker News. Estava tentando coletar exemplos de uso de códigos de repetição enquanto trabalhava em correção de erros quânticos. A computação quântica é difícil porque a repetição, na verdade, tende a piorar o problema. Para proteger isso, são necessárias propriedades físicas especiais ou estratégias complexas de correção de erros.
Segundo comentário: É possível superar o limite de Shannon. Shannon assume ruído gaussiano, mas, ao usar um receptor com contagem de fótons, deve-se usar uma distribuição de Poisson. Com o formato PPM e contadores de fótons, é possível obter um desempenho melhor.
Terceiro comentário: Para quem se interessa pelo limite último das comunicações, recomenda o artigo de Jim Gordon. É fácil de entender mesmo sem formação em física. Gordon merecia ter ganhado um Nobel, mas não ganhou.
Quarto comentário: A principal causa de perda é que a energia irradiada pela antena se espalha por uma área ampla. Fica a curiosidade se as sondas de hoje em dia poderiam se comunicar usando laser. O laser pode melhorar muito a direcionalidade do sinal.
Quinto comentário: Fez uma pergunta sobre a sonda espacial Voyager e acabou se aprofundando no assunto. Encontrou um PDF que explica os detalhes técnicos de forma fácil de entender.
Sexto comentário: Nunca tinha pensado em como a Voyager se comunica com a Terra. Se a Voyager envia fótons para a Terra, fica a dúvida de como o lado receptor reconhece esses fótons e decodifica o sinal.
Sétimo comentário: Não imaginava que a matemática fosse tão simples. Fica a dúvida se há algo que o autor não considerou ou se esse escopo faz sentido.
Oitavo comentário: Muito interessante. Mas 1500 fótons chegando ao receptor parece pouco demais, a ponto de o sinal acabar se perdendo no ruído. Fica a dúvida se a Voyager transmite o sinal repetidamente. Gostaria de saber onde encontrar mais informações.
Nono comentário: O número de fótons recebidos no imageamento por radar de asteroides é impressionante. Os asteroides estão mais perto, mas a potência recebida na equação do radar é inversamente proporcional à quarta potência da distância.
Décimo comentário: Um ponto interessante sobre os fótons é que talvez eles nem existam. O campo eletromagnético não é quantizado no nível dos fótons. Os fótons só existem quando o campo eletromagnético interage com a matéria. Fica a dúvida sobre o que realmente é medido em experimentos com fóton único.