Гравитационный модем 2.0: Переходим на 3D, гигаватты и суровую реальность

Статья переписана

Архитектура: Куб 50х50х50 метров

Наша новая вакуумная камера — это циклопический куб размером с 15-этажный дом. С трех ортогональных сторон (X, Y, Z) в него светят лазеры накачки (1064 нм). Чтобы свет заливал весь объем без мертвых зон, мы используем формирователи пучка (Top-Hat), а на гранях стоят криогенные зеркала с коэффициентом отражения «шесть девяток» ().

Считаем предельные цифры:

• Площадь одного зеркала: .

• Предел лучевой прочности (LIDT): .

• Циркулируемая мощность по одной оси: .

• Суммарная оптическая мощь внутри куба (3 оси): .

Это втрое больше всей потребляемой мощности человечества, но эта энергия «заперта» внутри. Снаружи нам нужно лишь компенсировать потери на идеальных зеркалах (1 ppm). Входящая мощность накачки (из розетки): . Для питания одного такого куба потребуется отдельный блок небольшой АЭС или крупная ТЭЦ.

Масса Света: Запасенные Джоули

Гравитационную волну генерирует энергия (масса), пульсирующая внутри резонатора.

• Время пролета фотона от стенки до стенки: .

• Запасенная энергия по одной оси: .

• Всего в кубе висит чистой световой энергии. Если одно из зеркал треснет, взрыв будет эквивалентен детонации 6 килограммов тротила.

Мощность излучаемой ГВ и «Снайперский луч»

Куб абсолютно симметричен. Поскольку размер нашего излучателя (50 метров) в 100 миллионов раз больше длины генерируемой гравитационной волны (532 нм), куб работает как колоссальная фазированная решетка. Излучение схлопывается в снайперский луч, бьющий строго перпендикулярно граням.

Считаем мощность луча, уходящего в одном направлении (работает энергия только одной перпендикулярной оси), по классической формуле:

• 

• (для 1064 нм)

• 

Мощность ГВ:

Модуляция: СВЧ-порча и Единый Макрообъект

Как передавать данные? Если зеркала имеют 6 девяток, фотон живет в кубе десятые доли секунды. Добротность системы феноменальна. Казалось бы, классическая физика говорит нам: вы не можете модулировать сигнал быстрее, чем время затухания резонатора (единицы герц). Скорость связи будет нулевой.

Но здесь в игру вступает квантовая механика. Наша 3D-решетка стоячих волн — это единый квантовый макрообъект. Мы не пытаемся “накачать” или “спустить” мощность. Мы берем СВЧ-импульс (например, мощный мазер) и простреливаем им куб насквозь. Квантовое состояние всего макрообъекта схлопывается/изменяется мгновенно (в пределах времени пролета СВЧ-волны). Идеальная фазировка сбивается, и снайперский гравитационный луч на долю секунды отклоняется в сторону (промахиваясь мимо приемника).

Время одного такта (пролета СВЧ через куб): .

Хватит ли фотонов? (Считаем квантовый предел)

За один такт (166.7 нс) излучается порция гравитационной энергии: .

Энергия одного оптического/гравитационного кванта (на 532 нм) равна . Делим одно на другое и получаем: 2000 фотонов за 1 такт

Скорость передачи: .

Приемник и Корреляционный процессор

На другом конце Земли (например, в Австралии) стоит точно такой же 50-метровый куб. Мы используем честный гомодинный прием без магических умножителей. Гравитационная волна модулирует фазу его внутренней 75-тераваттной стоячей волны.

2000 фотонов — это ничтожно мало на фоне колоссального квантового (дробового) шума самого лазера накачки и тепловых вибраций зеркал. Сигнал тонет в шумах. Поэтому на выходе детектора работает корреляционный процессор.

Резюме

Для создания сквозного гравитационного канала связи с пингом 42 миллисекунды (время полета сквозь Землю) и скоростью нам понадобятся:

1. Две подземные шахты метров.

2. Подводимая мощность на каждую станцию (уровень энергопотребления дата-центров Google).

3. Зеркала с фантастической лучевой прочностью и точностью полировки до долей ангстрема.

Цифры получились отрезвляюще суровыми, но главное — они физически разрешены. Закон сохранения энергии соблюден, предел Шеннона пройден. Да, это не 100 Гбит/с из настольной коробочки. Но отправить HD-видео сквозь расплавленное ядро планеты — технически решаемая (пусть на грани возможного и невероятно дорогая) задача. К сожалению к практике такая установка отношения не имеет.