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代价都相当庞大。这些系统还倾向于将任意两个组件之间传输的信息分割到多个通道中。一个常见的假设是,这种逆多路复用策略能够降低总热力学代价。然而,迄今为止,尚无基于物理学的成果支持这一假设。这一空白部分源于我们缺乏一个理论框架来探讨任何时空尺度下非平衡系统中热力学与信息之间的相互作用。本文首次提出了一项研究,严格将随机热力学这一理论框架与香农信息论相结合。我们建立了一个最小模型,该模型捕捉了广泛通信系统共有的基本特征。我们发现,该模型中的热力学代价是信道容量(即衡量信道通信能力的标准量度)的凸函数。我们还发现,与先前并非基于第一性原理物理学的结论不同,该函数并非总是单调的。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。特别是,我们提出了帕累托前沿,揭示了逆多路复用过程中热力学代价与信道容量之间的权衡关系。由于我们的模型具有普遍性,研究结果有助于解释实证观察结果,即信息传输的热力学代价如何使逆多路复用在许多实际通信系统中在能量上更有利。

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
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
105+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
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20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
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
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 · 2015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 · 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 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年8月18日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
13+阅读 · 2022年4月30日
VIP会员
最新内容
《通往人工通用智能之路上的均衡策略》
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:22
《人工智能与军事整合:现状与未来风险》报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:12
《Palantir的科技生态系统》
专知会员服务
14+阅读 · 6月2日
《反无人机系统传感器融合》90页报告
专知会员服务
16+阅读 · 6月2日
运用人工智能与卫星通信驱散“战争迷雾”
专知会员服务
8+阅读 · 6月2日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20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
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
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 · 2015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 · 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 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年8月18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