Hvorfor støj kan øge følsomheden over for svage signaler

Et hold af japanske forskere har opdaget en ny mekanisme til at forklare stokastisk resonans, hvor følsomheden over for svage signaler forstærkes af støj. Fundet forventes at hjælpe elektroniske enheder med at blive mindre og mere energieffektive.

Støj er generelt en gene, der overdøver små signaler. For eksempel, det kan forhindre dig i at fange, hvad din partner siger under en samtale. Imidlertid, det er kendt, at levende organismer har lettere ved at opdage rovdyr i støjende omgivelser, da støj øger sanseorganernes følsomhed. Dette fænomen, kaldet stokastisk resonans, anses for at være til stor nytte til konstruktion af enheder og adressering af støjproblemer på forskellige andre områder. Imidlertid, der har ikke været overbevisende forklaringer på, hvorfor støj øger følsomheden over for svage signaler siden den første rapport om fænomenet i 1981.

En anstødssten, der forhindrer forskere i fuldt ud at forstå fænomenet, er kompleksiteten i ikke -lineære teorier, der involverer friktion og udsving, begge anses for at være afgørende for fænomenet.

For at løse dette problem, holdet, bestående af professor Hokkaido University Seiya Kasai, Lektor Akihisa Ichiki fra Nagoya University, og seniorforsker Yukihiro Tadokoro fra Toyota Central R&D Labs., Inc., etableret en simpel model, der udelukkede friktionskraft, en parameter, som de anser for ubetydelig i nano- og molekylærskalasystemer.

Forskerne fandt sammenhænge mellem følsomhed og støj i et bistabilt system, et ikke-lineært system, der har to stabile tilstande og tillader overgangen mellem dem afhængigt af inputværdier, som en vippe. De fandt også ud af rollen som hvid gaussisk støj, den mest almindelige støj, der findes i den naturlige verden.

Når en overgang sker uden friktion, bistabilitetssystemets følsomhed over for et Gauss-støjpålagt svagt signal bliver betydeligt høj. Desuden, forskerne fandt, at den relative forskel - som bestemmer følsomheden - for den gaussiske fordelingsfunktion afviger i halekanten. Det betyder, at følsomheden bliver unormalt høj ved at øge tærsklen for det bistabile system. Denne teori er blevet eksperimentelt verificeret af en elektronisk tostatsenhed kaldet Schmitt-udløseren.

Fundet forventes at bane vejen for at bruge støj frem for at fjerne det, som vil bidrage til etablering af nye teknologier. Det kan hjælpe elektroniske enheder med at blive mindre og mere energieffektive. "Da der ofte findes gaussisk støj, vores undersøgelse skulle hjælpe os til bedre at forstå forskellige ikke-lineære og fluktuerende fænomener i den naturlige verden og samfundet." siger Kasai.