Khoa học tự nhiên

Thuật toán mới có thể tính toán tốc độ thông tin cho mọi hệ thống (10/11/2023)

75 năm trước, Claude Shannon, cha đẻ của thuyết thông tin, đã chứng tỏ việc truyền thông tin có thể được định lượng như thế nào về mặt toán học qua cái gọi là tốc độ truyền tin.

Cho đến tận bây giờ thì định lượng này chỉ có thể tính toán ở mức xấp xỉ. Các nhà nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Alamos (AMOLF) Manuel Reinhardt và Pieter Rein ten Wolde, cùng với một đồng nghiệp ở Vienna, đã phát triển một kỹ thuật mô phỏng – lần đầu tiên –khiến điều này thành có thể, tính toán tốc độ thông tin một cách chính xác ở bất cứ hệ nào. Các nhà nghiên cứu mới xuất bản kết quả nghiên cứu của họ trên tạp chí Physical Review X ¹.

Để tính toán chính xác tốc độ thông tin, các nhà nghiên cứu ở AMOLF đã phát triển một thuận toán mô phỏng mới. Nó vận hành bằng veicj tái hiện một hệ vật lý phức hợp như một mạng lưới liên kết nối chuyển tải thông tin qua các kết nối giữa các nút của nó. Các nhà nghiên cứu đặt giả thuyết là việc nhìn vào mọi con đường khác nhau mà thông tin có thể truyền qua mạng này thì có thể thu được lượng thông tin một cách chính xác.

Ý tưởng này, kết hợp với các kỹ thuật mô phỏng tiên tiến, đã hoạt động tốt đến mức ngay cả các hệ phức tạp như hệ hóa hướng của vi khuẩn, bao gồm hàng trăm phản ứng hóa học, tốc độ thông tin vẫn có thể được tính toán một cách chính xác.

Hệ hóa chất của vi khuẩn là hệ xử lý thông tin cho phép vi khuẩn bơi hướng về phía thức ăn hoặc tránh xa độc chất. Thật không may là tổng lượng thông tin do vi khuẩn truyền không thể đo đạc được một cách trực tiếp về mặt thực nghiệm: nó chỉ có thể được ước tính thông qua dữ liệu thực phậm bằng việc sử dụng các phép xấp xỉ. Gần đây, một nhóm thực nghiệm của Yale đã sử dụng cách tiếp cận đó để ước tính tốc độ thông tin cho hệ hóa hướng (chemotaxis system)  của vi khuẩn. Dẫu vậy vẫn còn chưa rõ cách ước tính chính xác của họ là gì.

Các nhà nghiên cứu lý thuyết của AMOLF đã đề ra một cách tiếp cận khác. Dựa trên các thực nghiệm sinh học trong hàng thập kỷ, một mô hình chính xác cho hệ hóa hướng đã được phát triển. Họ đã áp dụng kỹ thuật số của mình cho mô hình này và tìm ra là tốc độ tính toán này lệch hướng với tốc độ đo đạc của nhóm ở Yale.

Điều này làm dấy lên câu hỏi: cái gì là bản chất của sự khác biệt giữa các mô phỏng và các thực nghiệm? Hai câu trả lời có thể là: hoặc mô hình hóa hướng do nhóm AMOLF sử dụng không chính xác bằng hoặc các phép xấp xỉ của nhóm Yale dùng để đi đến câu trả lời là sai.

Trở lại với dữ liệu thực nghiệm cho thấy mô hình hiện có và mô hình được sử dụng rộng rãi cho hệ hóa hướng vi khuẩn đã sai. Các nhà nghiên cứu AMOLF đã chứng tỏ là sau khi thay đổi để gắn vào mô hình hóa hướng đó, tốc độ thông tin được tính toán khớp với tốc độ thu được ở thực nghiệm. Phân tích này do đó chứng tỏ là phép xấp xỉ do các nhà thực nghiệm sử dụng để tính toán tốc độ thông tin, trên thực tế, chính xác với những điều kiện của thực nghiệm cụ thể.

Tuy nhiên, phân tích này cũng mở ra những vấn đề cơ bản với việc phát triển mô hình hóa hướng trong các thập kỷ qua. Cần có nghiên cứu nữa để phân loại các gợi ý từ các phát hiện cho hiểu biết của chúng ta về hệ hóa hướng của vi khuẩn.

Vấn đề tính toán của tốc độ thông tin cho hóa hướng vi khuẩn chỉ là một vi dụ, nơi kỹ thuật mô phỏng mới do các nhà nghiên cứu AMOLF phát triển có thể hữu dụng cho việc có thêm cái nhìn mới vào các hệ vật lý. Kỹ thuật này rất tổng quát và có thể áp dụng cho một phạm vi rộng của các hệ ngoài sinh học, trải rộng từ các hệ quang, cơ học đến lượng tử.

Nó sẽ làm sâu sắc hơn hiểu biết của chúng ta về việc truyền thông tin qua các hệ đó và có thể thậm chí đặt nền tảng cho xây dựng các dạng mới của các thiết bị tính toán.

Thanh Đức tổng hợp

Ngày đăng: 10/11/2023

https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/thuat-toan-moi-co-the-tinh-toan-toc-do-thong-tin-cho-bat-cu-he-nao/