Новый алгоритм может точно рассчитать скорость передачи данных для любой системы
75 лет назад Клод Шеннон, «отец теории информации», показал, как передачу информации можно измерить математически, а именно через так называемую скорость передачи информации.
Однако до сих пор эту величину можно было вычислить лишь приблизительно. Теперь ученые из AMOLF (Нидерландская организация научных исследований) разработали метод моделирования, который — впервые — позволяет точно вычислить скорость передачи информации для любой системы. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Physical Review X.
Чтобы точно рассчитать скорость передачи информации, ученые AMOLF разработали новый алгоритм моделирования. Он работает, представляя сложную физическую систему как взаимосвязанную сеть, которая передает информацию через соединения между своими узлами.
Исследователи предположили, что, рассмотрев все различные пути, по которым информация может проходить через эту сеть, можно будет точно определить скорость передачи информации.
Эта идея в сочетании с передовыми методами моделирования оказалась настолько эффективной, что даже для таких сложных систем, как система бактериального хемотаксиса (хемотаксис — двигательная реакция микроорганизмов на химический раздражитель), состоящая из сотен химических реакций, теперь можно точно рассчитать скорость передачи информации.
Бактериальная система хемотаксиса — это система обработки информации, которая позволяет бактериям плыть к пище или от токсичных химикатов. К сожалению, количество информации, которую передает бактерия, невозможно измерить непосредственно экспериментально: его можно лишь оценить по экспериментальным данным с использованием приближений.
Недавно экспериментальная группа из Йельского университета использовала этот подход для оценки скорости передачи информации для системы бактериального хемотаксиса. Однако остается неясным, насколько точна их оценка.
Исследователи AMOLF использовали другой подход. На основе десятилетий биологических экспериментов была разработана точная модель хемотаксиса. Они применили свой численный метод к этой модели и обнаружили, что рассчитанная скорость отклоняется от скорости, измеренной Йельской группой.
Возникает вопрос: в чем причина расхождения между моделированием и экспериментом? Возможны были два ответа: либо модель хемотаксиса, использованная командой AMOLF, не была столь точной, либо приближения, которые Йельской группе пришлось использовать, чтобы прийти к своему ответу, были неверными.
Пересмотр экспериментальных данных показал, что существующая и широко используемая модель бактериальной системы хемотаксиса неверна.
Исследователи AMOLF показали, что после внесения изменений в модель хемотаксиса расчетная скорость передачи информации совпала с экспериментально полученной скоростью.
Таким образом, этот анализ показывает, что приближение, использованное экспериментаторами для расчета скорости передачи информации, на самом деле является точным для условий конкретного эксперимента.
Тем не менее, этот анализ также выявляет фундаментальные проблемы модели хемотаксиса, разработанной в последние десятилетия. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы прояснить значение этих результатов для нашего понимания системы бактериального хемотаксиса.
Проблема вычисления скорости передачи информации для бактериального хемотаксиса — лишь один пример того, как новая техника моделирования, разработанная исследователями AMOLF, может быть использована для получения нового понимания физических систем.
Этот метод является совершенно общим и может быть применен к широкому спектру систем за пределами биологии: от оптических, механических до квантовых систем.
Это углубит наше понимание передачи информации через эти системы и может даже заложить основу для создания новых видов вычислительных устройств.