سیستم های ارتباطی کوانتومی مبتنی بر فضا نشان دهنده یک تغییر پارادایم در انتقال داده امن، استفاده از اصول مکانیک کوانتومی برای ایجاد کانال های رمزگذاری غیر قابل شکستن است، با این حال، عمل این سیستم ها در محیط بی رحم فضا، تعدادی از چالش های فنی را معرفی می کند، رئیس در میان آنها نیاز به دقت شدید در جهت گیری ماهواره ای و ثبات است.حتی انحراف دقیقه در نقطه می تواند چرخ های کوانتومی یا انتقال عکس ضروری را مختل کند که در ابتدا باعث می شود.

چرخ های واکنش چیست؟

یک چرخ واکنش یک چرخ موتور سوار بر یک فضاپیما است.با چرخش چرخ در سرعت های متغیر، فضاپیما می تواند جهت گیری خود را از طریق حفاظت از حرکت زاویه ای تغییر دهد - یک اصل ساده اما قدرتمند که چرخ در یک جهت شتاب می دهد، بدن فضاپیما در جهت مخالف چرخش می کند.این اجازه می دهد تا تنظیمات رفتاری صاف و دقیق بدون برداشتن چرخ های واکنش ساده، به طور معمول در پیکربندی سه چرخ تنظیم شده است.

فیزیک ساده است: هر چرخ دارای لحظه ای از بی تحرکی و سرعت چرخش است.سیستم کنترل نگرش فضاپیما یک گشتاور از موتور چرخ را هدایت می کند و فضاپیما بر اساس آن بر خلاف محرک ها واکنش نشان می دهد که نیروهای تکان دهنده و مصرف سوخت را تولید می کند، چرخ های واکنش کنترل مداوم و دقیق با کمترین اختلال به ابزارهای حساس را ارائه می دهند.

نقش حیاتی چرخ های واکنش در ارتباطات کوانتومی

ارتباطات کوانتومی بر انتقال فوتون های فردی یا جفت فوتون های درهم تنیده متکی است.برای یک سیستم توزیع کلیدی کوانتومی مبتنی بر فضا (QKD) ، یک ماهواره باید پایانه های نوری خود را با ایستگاه های زمینی یا سایر ماهواره ها با دقت زیر هسته ای هماهنگ کند.

در یک سناریوی معمول QKD، یک ماهواره یک پالس ضعیف را که حاوی یک فوتون منفرد است، انتقال می دهد.(نور پرتو بسیار باریک است – اغلب به ترتیب میکرورادians.هر jitter یا حرکت در جهت گیری ماهواره ای 1LT می تواند باعث شود که پرتو به طور کامل چرخ های واکنش زمین را از دست دهد، همراه با ردیاب ستاره و ژیروسکوپ، اجازه می دهد تا سرعت ماهواره در سراسر میدان اتصال دقیق ماهواره ای را ردیابی کند:

بی ثباتی در برابر ناراحتی

فضا کاملا آرام نیست.فشار تابش خورشیدی، گشتاور گرادیان گرانشی و حتی ارتعاشات داخلی از سایر تجهیزات داخلی می تواند نگرش ماهواره ای را مختل کند. چرخ های واکنش با این اختلالات به طور پویا مقابله می کنند.در یک زمینه ارتباطی کوانتومی، این ثبات حیاتی است زیرا سیگنال کوانتومی بسیار ضعیف است.هر حرکت باقی مانده موج فوتون را محو می کند، کاهش نسبت سیگنال به افزایش و خطا کوانتومی (کمی کم).

محققان نشان داده اند که استفاده از چرخ های واکنش با بازخورد حلقه بسته می تواند خطاهای زیر 0.1 قوس ثانیه را نشان دهد – در تحمل لینک های QKD رایگان – فضا، این سطح کنترل توسط سیستم های مبتنی بر نیروی محرکه که تمایل به معرفی میکرو-vibrations در طول شلیک دارند، بی نظیر است.

مزایای فنی بیش از سایر سیستم های نقطه بندی

در حالی که چرخ های واکنش تنها وسیله کنترل نگرش نیستند (به عنوان مثال، محرک ها، گشتاور مغناطیسی یا کنترل لحظه ژیروسکوپ)، مزایای منحصر به فرد برای ارتباطات کوانتومی ارائه می دهند.

دقت و آرامش

چرخ های واکنش گشتاور به طور مداوم متغیر را با استحکام بسیار پایین فراهم می کنند، این اجازه می دهد تا برای کنترل نقطه نظر با پهنای باند بالا، ضروری برای ردیابی ایستگاه های زمینی سریع حرکت و یا جبران برای اختلالات مداری.

بهره وری سوخت و Longevity

برای ماموریت های طولانی مدت، سوخت یک ابزار محدود کننده است. چرخ های واکنش نیاز به ترمز برای کنترل نگرش روزمره، به شدت کاهش جرم فضاپیما و گسترش عمر ماموریت است. ماهواره ای که مجهز به چرخ های واکنش است می تواند برای یک دهه یا بیشتر، محدود تنها با تحمل استفاده از مواد اولیه کار کند.این به ویژه برای صورت فلکی ماهواره های ارتباطی کوانتومی مهم است، که سوخت رسانی غیر عملی است.

چالش ها و استراتژی های پذیرش

علی رغم مزایای آن، چرخ های واکنش بدون هیچ مشکلی نیستند.سازمان های فضایی و تولید کنندگان طیف وسیعی از تکنیک ها را برای کاهش این مسائل توسعه داده اند.

نام انگلیسی: Micro-Distbances

به عنوان چرخ های واکنش، نقص در بلبرینگ ها و عدم تعادل، امواج میکرو را در فرکانس های مختلف تولید می کند.برای ارتباطات کوانتومی، این ارتعاشات می توانند باعث ایجاد ریتم در مسیر نوری شوند، و کیفیت لینک را کاهش دهند.

  • تعادل و کنترل کیفیت: تولید دقیق کاهش می یابد عدم تعادل استاتیک و پویا.
  • انزوای ارتعاش فعال: برخی ماهواره ها بار کوانتومی را بر روی یک پلت فرم ارتعاشی با چرخ های کوچک واکنش یا محرک های پازوالکتریک نصب می کنند.
  • [[۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰]] [۱۰]] [۱۰] [۱]] از سرعت های نو (بر سرعتشان) و استفاده از کنترل خوراک به جلو برای لغو ارتعاشات اجتناب کنید.

چرخ و فلک و

چرخ های واکنش تنها می توانند حداکثر RPM را در طول زمان بچرخانند، گشتاور های خارجی (مانند فشار خورشیدی) باعث چرخ ها برای تجمع حرکت زاویه ای، در نهایت رسیدن به اشباع، آنها دیگر نمی توانند گشتاور را در جهت مورد نیاز ارائه دهند، راه حل، معمولا توسط شلیک به نیروی کوچک یا استفاده از گشتاور مغناطیسی برای از بین بردن این حرکت، یک روش معمول است (برای اتصال به حداقل رساندن زمان های کوتاه برنامه ریزی شده است).

دوره طولانی مدت Degradation

بلبرینگ های مکانیکی در طول زمان، منجر به افزایش اصطکاک، لرزش و شکست نهایی می شوند.

  • سیستم های گیج کننده: [FLT 1] برخی چرخ ها از یاتاقان های روغنی یا بلبرینگ مغناطیسی برای کاهش اصطکاک استفاده می کنند.
  • [فرشته:] [فرشته:] ماهواره ها اغلب چرخ واکنش چهارم را به عنوان یک یدکی حمل می کنند، که می تواند فعال شود اگر کسی شکست بخورد.
  • نگهداری پیش بینی کننده: Telemetry در جریان چرخ و سرعت اجازه می دهد تا اپراتورهای زمینی برای تشخیص تخریب زود هنگام و تنظیم عملیات.

به عنوان مثال، تلسکوپ فضایی Kepler [FLT 1] به دلیل شکست های چرخ واکنش، نقطه عطف خود را از دست داد، که نشان دهنده انتقادی بودن سلامت چرخ است.

پیشرفت ها و مسیرهای آینده

نیازهای منحصر به فرد ارتباطات کوانتومی نوآوری در تکنولوژی چرخ واکنش را هدایت می کند.

بهبود مواد و چراغ ها

مواد جدید تحمل، مانند هیبرید های سرامیکی و پوشش های پیشرفته، کاهش اصطکاک و لرزش، برخی از تحقیقات در حال بررسی بلبرینگ های مغناطیسی فوق العاده رسانا است که به طور کامل تماس مکانیکی را از بین می برد، از نظر تئوری ارائه عمر نامحدود، این ایده آل برای ماهواره های انتقال کوانتومی طولانی مدت خواهد بود.

الگوریتم های کنترل و Redundancy

الگوریتم های کنترل مبتنی بر مدل می توانند ارتعاشات ناشی از چرخ را پیش بینی کرده و به طور فعال آنها را با استفاده از محرک های دیگر فضاپیما لغو کنند.یادگیری ماشین همچنین برای بهینه سازی پروفایل های سرعت چرخ برای حداقل حرکت های کوچک استفاده می شود. علاوه بر این، ماهواره های آینده ممکن است از کنترل لحظه ژیروسکوپ (CMG) در کنار چرخ های واکنش برای ظرفیت گشتاور بالاتر در هنگام حرکت در هنگام نگه داشتن چرخ های واکنش برای نقطه های ظریف استفاده کنند.

ادغام با سایر سیستم ها

چرخ های واکنش به طور فزاینده ای با ردیاب های ستاره ای و شتاب سنج در یک سیستم تنظیم و کنترل (ADCS) یکپارچه شده اند، این اجازه می دهد تا [bistbance بدون نقطه عطف] [FLT 1] که در آن کل ماهواره با هیچ حرکت نسبی بین ابزار کوانتومی و مونتاژ چرخ واکنش تثبیت شده است.

نتیجه گیری

چرخ های واکنش یک تکنولوژی بنیادی برای ارتباطات کوانتومی مبتنی بر فضا هستند، آنها دقت، صافی و بهره وری سوخت مورد نیاز برای هماهنگ کردن لینک های کوانتومی در سراسر فاصله های بین قاره ای را فراهم می کنند، در حالی که چالش هایی مانند ارتعاشات، اشباع و پوشیدن ادامه می یابد، مهندسی مداوم و تحقیقات همچنان به فشار مرزهای آنچه که ممکن است ادامه می دهد.

در ادامه بخوانید: در مورد منابع و و NASA’s Summary برای جزئیات کوانتومی، ببینید ماهواره Micius QKD در