01
保持通信，在千萬公里外
在人類真正踏上火星前，除了製造更大的火箭、研究怎麼在陌生星球生存外，我們還要解決一個重要問題：如何保持與地球的通信？深空通信項目的價值正在於此。
廣義上講，月球軌道及以外的宇宙空間都是深空，當探測器深入千萬乃至上億公里外的宇宙時，與地球的時空紐帶就會成為其順利完成探測任務的關鍵保障。
如今，隨著遙感技術發展，發射到深空的探測器往往會配備高光譜成像儀、合成孔徑雷達等高解析度圖像採集設備，會採集到各種複雜的科學信息、高清圖像；常見的機器人或載人探測任務也會產生許多語音、視頻、太空人健康監測數據等。傳統以微波為主的通信手段已經很難滿足信息傳輸的通信速率要求，以雷射為載波的深空光通信系統走到聚光燈下。
2023年年末，NASA公開了一段15秒的「萌寵」視頻，視頻里的橘貓Taters正在追逐著一個移動雷射光點。這段在抖音上或許平平無奇的視頻，卻標誌著一個歷史性的里程碑——這是人類首次利用雷射，成功地將一段超高清視頻由「靈神星」號（Psyche）探測器從約3100萬公里（大概是地月距離的80倍）外的深空發送到地球。
此外，這段視頻還包含了幾個重要技術參數，比如「靈神星」號的軌道路徑、帕洛瑪天文台海爾望遠鏡的穹頂，以及有關雷射及其數據比特率的技術信息。還有Taters的心率、顏色和品種等數據，也實時展示在上面，直接對標人類太空人。
「靈神星」號深空傳回的視頻，包含諸多數據
更重要的是，通過NASA給出的數據，這段視頻通過「飛行雷射收發器」（ flight laser transceiver）發出後，視頻信息編碼為近紅外雷射束，以每秒267兆比特（Mbps）的系統最大比特率發送到美國加州大學的帕洛瑪天文台，僅僅用了101秒。
這比研究人員在天文台，通過移動網際網路發送同一視頻到加州南部的實驗室還要快。這意味著藉助雷射通信，未來有一天，當人類真的登上距離地球2.25億公里的火星後，雷射通信技術也能滿足我們傳輸複雜信息以及高清圖像、視頻的需要。
02
雷射通信的「光語言」解碼
雷射通信和我們曾解讀過的量子通信有「異曲同工」之妙——它們都屬於光通信範疇下的技術路線，但細究起來，兩者其實是毫不相干的兩碼事。
量子通信是利用光量子的偏振態特性發出真正隨機生成的二進位密鑰，同時利用光量子不可逆的特性秘密傳輸信息，重點在於其安全性。
而雷射通信就是利用雷射光束本身傳遞信息，重點在於「量大、速度快」。
NASA這次完成的深空雷射通信原理其實很簡單，數據信號先是轉換為串行二進位，再被轉換為光信號，並通過雷射器以高能量的雷射光束的形態射出；然後，雷射光束再通過真空傳播，最終到達接收器；接收器接收到雷射光束後，要將光信號轉換回電信號，才能恢復出原始的數據信息。
地面接收設備模擬
與傳統的無線電波通信技術相比，雷射通信系統所用的紅外光是一種頻率比較高的波，能比普通微波頻率高3到4個數量級。根據無線電通用的「經驗公式」，頻率越高也就意味著頻寬（帶寬）越大——其實就是因為高頻段的頻譜資源空白較多，低頻段頻譜資源都已經擁擠不堪，高頻段自然頻寬更大。
業內人士表示，如今星間雷射通信還無需申請頻率許可，而傳統的無線電波頻段是戰略資源，目前國際電聯嚴格管控星載微波頻段，很難再申請到大容量數據帶寬。
打個比方，頻寬可以理解為水管，通常我們說網絡傳輸速度快的意思其實是，單位時間內數據的吞吐量越大表示越快。頻寬越寬代表水管越粗，在同等流速情況下，水管越粗的在單位時間內流出的水量也就越大，這樣就能理解為什麼頻寬越大，傳輸速率越快、內容「載重」越大了吧。
雷射通信就如同彈簧「壓縮」一般，壓入大量數據，並且其從深空傳輸數據的速度能比目前使用的最先進無線電通信技術快10至100倍。通過雷射通信下載一部高清電影只需幾秒鐘，而傳統無線電通信可能需要幾小時，這就好比從撥號上網一下跳升到了光纖上網。
03
挑戰「不掉線」
按照雷射通信的過程，光是「打包壓縮」信息、再以紅外光波的形式送出去還不夠，要保證信息原封不動的傳遞到地球，雷射光束還需要經過精確的定向、聚焦和接收處理。
中國科學院微小衛星創新研究院研究員李銳解釋，由於雷射方向性強，需要通過高精度對準平台實現天地收發端精確對準，才能傳輸信號，也就要求高精度光學對準技術發展。
方向性好且能量集中，一方面是優勢——地面接收望遠鏡口徑可以做得小一點，擺脫了無線電波通信系統巨大的碟形天線設備，探測器端也可以做的體積更小、重量更輕。經濟效益上看，也能讓雷射通信相關係統、設備的建造和維護費用相對低廉。
但從另一方面來看，這些特點就變成了挑戰。我們可以把雷射發射器想像成一盞高瓦數但不發散的射燈，深空到地球傳信意味著要準確地在千萬公里外，穿進一枚銅幣的中心，而這枚銅幣和射燈本身都在運行中且不同步。
在嘗試深空雷射通信前，NASA曾利用雷射光束把一段高清視頻從距地面400公里國際空間站傳送回地面，那一次主要的挑戰就是如何「極度精確地」鎖定位於美國加州一個小鎮的地面站。NASA當時的項目負責人曾表示，這一任務就像要求「在10米開外，於行走中始終用雷射指針瞄準某根頭髮的末梢」。
此外，從深空到地面，雷射通信還要求發射方和接收方之間應沒有遮擋，也就是滿足「通視」這一雷射通信的首要條件。
雷射通信首先要避免光束與太陽在一條直線上，因為太陽輻射能量分布在從伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線到無線電波的整個電磁波譜區內；其次，還要考慮大氣內的氣象因素，也就是地球大氣層和雲霧的影響，雲層很有可能會導致通信質量下降甚至無法通信。
不過這些難題「靈神星」號都有所準備。比如為了提升通信的可靠性和穩定性，「靈神星」號採用了高效編碼技術，通過對數據進行優化編碼以及前向糾錯編碼等技術，在有限的帶寬內實現更高數據傳輸速率的同時，降低了誤碼率，也就是避開宇宙射線、塵埃等物質，進一步提高數據傳輸的準確性。
不過，深空雷射通信技術還不算盡善盡美，要想在複雜的深空環境中保持穩定的通信聯繫還需要高效半導體雷射器、低噪聲高靈敏度單光子探測等技術不斷研發疊代。2016年時NASA曾預計，光通信技術將在2025年真正應用於深空探測任務中，並逐漸開始占據主導地位，高速、高通量的天地一體化通信網絡或許近在眼前。