In many complex systems, whether biological or artificial, the thermodynamic costs of communication among their components are large. These systems also tend to split information transmitted between any two components across multiple channels. A common hypothesis is that such inverse multiplexing strategies reduce total thermodynamic costs. So far, however, there have been no physics-based results supporting this hypothesis. This gap existed partially because we have lacked a theoretical framework that addresses the interplay of thermodynamics and information in off-equilibrium systems at any spatiotemporal scale. Here we present the first study that rigorously combines such a framework, stochastic thermodynamics, with Shannon information theory. We develop a minimal model that captures the fundamental features common to a wide variety of communication systems. We find that the thermodynamic cost in this model is a convex function of the channel capacity, the canonical measure of the communication capability of a channel. We also find that this function is not always monotonic, in contrast to previous results not derived from first principles physics. These results clarify when and how to split a single communication stream across multiple channels. In particular, we present Pareto fronts that reveal the trade-off between thermodynamic costs and channel capacity when inverse multiplexing. Due to the generality of our model, our findings could help explain empirical observations of how thermodynamic costs of information transmission make inverse multiplexing energetically favorable in many real-world communication systems.


翻译:在许多复杂系统中,无论是生物系统还是人工系统,其组件间通信的热力学成本都相当可观。这类系统还倾向于将任意两个组件之间传输的信息分散到多个通道中。一个常见的假设是,这种反向多路复用策略能够降低总热力学成本。然而,迄今为止,尚缺乏基于物理学的理论结果来支持这一假设。这一空白部分源于我们缺少一个能够处理非平衡系统中热力学与信息交互(并适用于任意时空尺度)的理论框架。本文首次将随机热力学这一严谨框架与香农信息论相结合。我们建立了一个最小模型,该模型捕捉了各类通信系统普遍具备的基本特征。研究发现,在该模型中,热力学成本是信道容量(衡量信道通信能力的标准指标)的凸函数。同时,与先前并非基于第一性原理推导的结果不同,该函数并非始终单调。这些结果阐明了何时以及如何将单一通信流分割到多个通道中。特别地,我们展示了帕累托前沿,揭示了反向多路复用中热力学成本与信道容量之间的权衡关系。由于模型的普适性,我们的发现有助于解释实证观测结果:为何在众多现实通信系统中,信息传输的热力学成本使得反向多路复用在能量上更为有利。

0
下载
关闭预览

相关内容

《计算机信息》杂志发表高质量的论文,扩大了运筹学和计算的范围,寻求有关理论、方法、实验、系统和应用方面的原创研究论文、新颖的调查和教程论文,以及描述新的和有用的软件工具的论文。官网链接:https://pubsonline.informs.org/journal/ijoc
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月5日
Arxiv
15+阅读 · 2020年12月17日
VIP会员
最新内容
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
专知会员服务
4+阅读 · 今天2:42
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
2+阅读 · 今天1:46
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
8+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
8+阅读 · 7月31日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员