[論文レビュー] The physical limits of communication

Michael Lachmann, M. E. J. Newman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 1999

Quantum Mechanics and Applications参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、情報がタイミング、エネルギー、または偏光に符号化される場合、最もエネルギー効率の良い電磁波通信形式が、無知な受信者にとってはブラックボディ放射と物理的に区別できないことを示している。最適な信号スペクトルは、一次元ブラックボディ分布と一致し、その温度は送信エネルギーによって決定され、これよりさらに圧縮できない根本的な物理的限界を確立する。

ABSTRACT

It has been well-known since the pioneering work of Claude Shannon in the 1940s that a message transmitted with optimal efficiency over a channel of limited bandwidth is indistinguishable from random noise to a receiver who is unfamiliar with the language in which the message is written. In this letter we demonstrate an equivalent result about electromagnetic transmissions. We show that when electromagnetic radiation is used as the transmission medium, the most information-efficient format for a given message is indistinguishable from black-body radiation to a receiver who is unfamiliar with that format. The characteristic temperature of the radiation is set by the amount of energy used to make the transmission. If information is not encoded in the direction of the radiation, but only its timing, energy or polarization, then the most efficient format has the form of a one-dimensional black-body spectrum which is easily distinguished from the three-dimensional case.

研究の動機と目的

• 電磁波を用いた情報伝送の根本的な物理的限界を特定すること。
• 通信におけるエネルギー効率が熱力学的原則とどのように関係するかを調査すること。
• 電磁波伝送における情報効率が最も高い信号形式を同定すること。
• 情報理論とブラックボディ放射の間の関連を通信の文脈で確立すること。

提案手法

• エネルギーおよび帯域幅の制約下で、電磁波放射を通信媒体として分析する。
• 統計力学およびブラックボディ放射の原則を適用し、最適な信号スペクトルをモデル化する。
• エントロピーとスペクトルパワー密度を用いて、単位エネルギーあたりの情報量を最大化することで、最も効率の良い信号形式を導出する。
• 三次元および一次元ブラックボディスペクトルを比較し、指向性 vs. 非指向性伝送をモデル化する。
• レイリー＝ジーンズ近似およびプランクの法則を用いて、最適な放射スペクトルを特徴付ける。
• 最適な信号が、無知な受信者にとっては熱放射と区別できないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁波を用いて情報を伝送する最もエネルギー効率の良い方法は何か？
• RQ2 最適な信号スペクトルはブラックボディ放射とどのように比較できるか？
• RQ3 情報がタイミング、エネルギー、または偏光に符号化された電磁波信号は、無知な受信者にとっては熱雑音として見えてしまうか？
• RQ4 次元性（1次元対3次元）が、電磁波通信の効率に果たす役割は何か？
• RQ5 放射の温度は、送信に使用されたエネルギーとどのように関係するか？

主な発見

• 最もエネルギー効率の良い電磁波信号は、信号形式を知らない受信者にとってはブラックボディ放射と物理的に区別できない。
• 放射の特徴的な温度は、送信に使用されたエネルギーに比例する。
• 情報が方向性を除き、タイミング、エネルギー、または偏光にのみ符号化される場合、最適な信号は一次元ブラックボディスペクトルを持つ。
• 一次元スペクトルは三次元の場合と根本的に異なり、非指向性符号化における自由度の低下を反映している。
• この結果により、与えられた量の情報を伝送するために必要なエネルギーの物理的下限が確立される。
• この下限は、同じエネルギーおよび帯域幅制約下で、いかなる通信システムもブラックボディ放射器の効率を超えることはできないことを示唆する。