Le nombre de photons reçus par bit transmis par Voyager 1
Question
- Auteur de la question : Craig Gidney
- Contenu de la question : combien de photons sont transmis et reçus par bit lorsque Voyager 1 envoie un message vers la Terre ?
Réponse 1
Éléments nécessaires au calcul
- Récepteur : antenne parabolique de 70 m (par ex. le CDSCC du Deep Space Network)
- Fréquence d'émission : 2,3 GHz ou 8,4 GHz (hypothèse : 8,4 GHz)
- Photons reçus : tous les photons atteignant la parabole, ou les photons entrant dans les circuits électroniques
Réponse
- Débit de transmission : Voyager 1 transmet à 160 bits/s avec une puissance de 23 W
- Nombre de photons émis : à une fréquence de 8,3 GHz, 4×10²⁴ photons/s, soit 2,6×10²² photons par bit
- Nombre de photons reçus : la puissance atteignant la Terre est de 3,4×10⁻²² W/m², et la puissance collectée par une antenne parabolique de 70 m est de 1,3 attowatt (1,3×10⁻¹⁸ W), soit environ 1500 photons par bit
- Nombre de photons nécessaire : en tenant compte du bruit thermique et du bruit des circuits, environ 25 photons par bit sont nécessaires à 8,3 GHz
Réponse 2
Informations complémentaires
- Matériau de l'antenne : plastique renforcé de fibres de carbone, non métallisé
- Efficacité : l'efficacité de la surface de la parabole est d'environ 25 %, ce qui peut donner une valeur 3 à 5 dB plus faible que le calcul
- Débit de transmission : le trafic d'ingénierie est transmis à 40 bits/s, avec une marge plus élevée que le flux scientifique
L'avis de GN⁺
- Point intéressant : le fait que Voyager 1 puisse encore communiquer avec la Terre reste une prouesse remarquable de l'exploration spatiale.
- Défi technique : recevoir un signal à une telle distance est extrêmement difficile, ce qui montre les progrès des technologies d'antenne et de traitement du signal.
- Considérations pratiques : pour améliorer l'efficacité de la réception des signaux en exploration spatiale, il faut des antennes plus grandes et de meilleures techniques de gestion du bruit.
- Technologies associées : des techniques similaires sont utilisées sur d'autres sondes spatiales, et elles constituent un élément important des communications spatiales.
- Regard critique : l'utilisation de plastique renforcé de fibres de carbone peut réduire l'efficacité, ce qui peut affecter les communications à long terme.
1 commentaires
Commentaire Hacker News
Premier commentaire : Je ne pensais pas que la question deviendrait populaire sur Hacker News. J’essayais de rassembler des exemples d’utilisation de codes de répétition dans le cadre du travail sur la correction d’erreurs quantiques. L’informatique quantique est difficile parce que la répétition aggrave au contraire le problème. Pour s’en protéger, il faut des propriétés physiques particulières ou des stratégies complexes de correction d’erreurs.
Deuxième commentaire : Il est possible de dépasser la limite de Shannon. Shannon suppose un bruit gaussien, mais avec un récepteur à comptage de photons, il faut utiliser une distribution de Poisson. En utilisant un format PPM et un compteur de photons, on peut obtenir de meilleures performances.
Troisième commentaire : Pour ceux qui s’intéressent aux limites ultimes de la communication, je recommande l’article de Jim Gordon. Il est facile à comprendre même sans diplôme de physique. Gordon méritait un prix Nobel, mais ne l’a pas eu.
Quatrième commentaire : La principale source de perte est que l’énergie rayonnée par l’antenne se disperse sur une vaste zone. Je me demande si les sondes d’aujourd’hui pourraient communiquer à l’aide de lasers. Les lasers pourraient grandement améliorer la directivité du signal.
Cinquième commentaire : En posant une question sur les sondes spatiales Voyager, je me suis laissé entraîner très loin dans le sujet. J’ai trouvé un PDF qui explique clairement les détails techniques.
Sixième commentaire : Je n’avais jamais réfléchi à la manière dont Voyager communique avec la Terre. Si Voyager envoie des photons vers la Terre, je me demande comment le récepteur reconnaît ces photons et décode le signal.
Septième commentaire : Je ne pensais pas que les mathématiques seraient aussi simples. Je me demande s’il y a quelque chose que l’auteur n’a pas pris en compte, ou si ce cadre est raisonnable.
Huitième commentaire : C’est très intéressant. Mais 1 500 photons qui atteignent le récepteur, cela semble trop peu, au point que le signal risque d’être noyé dans le bruit. Je me demande si Voyager envoie le signal plusieurs fois en répétition. J’aimerais savoir où trouver plus d’informations.
Neuvième commentaire : Le nombre de photons reçus lors de l’imagerie radar d’astéroïdes est impressionnant. Les astéroïdes sont plus proches, mais dans l’équation radar, la puissance reçue est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la distance.
Dixième commentaire : Ce qui est intéressant avec les photons, c’est qu’ils pourraient ne pas exister. Le champ électromagnétique n’est pas quantifié au niveau du photon. Les photons n’existent que lorsque le champ électromagnétique interagit avec la matière. Je me demande ce qu’on mesure réellement dans les expériences à photon unique.