星际通信 I. 轻型空间探测器的最大化数据率

最近的技术进步可能使星际旅行成为可能，使用由激光或太阳光子压力推动的超轻帆，速度达到光速的百分之几。从此类探测器获取远程观测数据并非易事，因为它们的最小仪器（克级）和远距离（pc）。我们推导了最大化远程探测器与基地之间数据率的最优通信方案。该框架需要在亮星几角秒内的 $10^{-9}$ 量级日冕仪抑制恒星背景。我们的工作包含由于衍射、技术限制、星际消光和大气传输导致的光子损失模型。主要噪声源来自大气、黄道、恒星和仪器。我们使用“霍列沃界”检查最大容量，该界给出了可通过量子态（光子）编码的信息量（比特）的上限，对于乐观的信号和噪声水平，每个光子几个比特。这允许从距离 $\alpha\,$Centauri（1.3 pc）处尺寸为 1 m 的发射机到地基大型接收望远镜（E-ELT，39 m）的数据率约为每秒每瓦比特。该距离的最优波长对于空间基接收机为 300 nm 到地基为 400 nm，并随距离因消光增加到至银河系中心 8 kpc 处的最大值 $\approx3\,\mu$m。