用光子优化信号接收器

　　如今，绝大多数的太空通讯都依赖于无线电信号。但和光或者其他任何一种电磁波一样，在传播的过程中，这些信号会发生衍射和扩散。瑞典查尔莫斯理工大学研究光子的科学家彼得·安德烈克森（Peter Andrekson，此项研究的共同作者）介绍说，一束从月球发向地球的无线电波“通常会分散成一块大陆大小的尺寸”，如果是一束激光，则可能分散到直径约4千米的范围里。
　　可见，如果想相对完整地接收来自太空（譬如火星）的无线电信号，需要一个极其庞大的装置。麻省理工学院林肯实验室的光学通信工程师布赖恩·鲁宾逊（Bryan Robinson，并未参与这项研究）表示，NASA 最大的接收器跨度为70米，“这个设备看上去像一座足球场。它安置在一个常平架上，接收方向指向火星。”
　　如果使用激光通信，则可以让接收器缩减到20厘米，这个尺寸仅相当于一人份的披萨，而与无线电波相比，高密度激光束能携带更多信息。不过，激光信号是以较低的功率传输的，在接收到
信号后，放大处理过程就会显得十分艰巨。
　　科学家正在研究一种新型接收器，它可以通过操纵光子的相互作用，在不损耗信号质量的情况下放大入射信号。这项技术被称为相敏放大（phase- sensitive amplification，PSA） 技术。鲁宾逊表示这种方法“相当有趣”，因为如今的放大器都会给信号加入干扰“噪音”。这种处于实验阶段的PSA系统灵敏度极高，在实验室搭建出的模拟深空真空环境和增加衍射距离的场景下，每秒能够接收10.5 GB不含噪音的信息，这是前所未有的。对此，这套系统的下一项挑战将是如何克服地球大气层带来的干扰。相关研究内容发表在了《光：科学与应用》（Light: Science and Applications）杂志上。
　　早在2013年，林肯实验室和NASA就成功测试了另一种用于航天器和地球间通信的激光传输。这种方法使用光子计数接收器，对撞击而来的单个光子计数，这对于数据传输尤其有效，因为数据可以通过数字编码——但该计数器只有在约零下270℃时才能工作。而PSA可以在室温下工作。
　　除开种种挑战，行星科学家塔尼娅·哈里森（Tanya Harrison，并未参与这项研究）在评价这类优化光学通信系统（refining optical communications system）时说：“这是一项相当了不起的工作。”哈里森正在通过卫星绘制火星图，但却因为无线电传输的局限性遭遇了挫折。如今，无线电数据从火星发到地球的速率和保真度还和上世纪90年代早期的调制解调器一致。哈里森说，环绕火星轨道的卫星“所接收的数据可能比它实际能发送回来的要大一个数量级。基本上，如果我们能使用光学通信，就能做更多的科学研究”。
　　（乔安娜·汤普森）