Gibt es eine Untergrenze für die Energie, die benötigt wird, um ein Informationsbit zu übertragen?

Angenommen, wir möchten Informationen zwischen zwei Stationen (Punkten im Raum) übertragen. Ist eine minimale Energie erforderlich, um ein einzelnes Informationsbit zu übertragen , vorausgesetzt, wir tolerieren, dass das Bit mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit verloren geht oder verändert wird?

Wenn wir eine bestimmte Bitrate erreichen wollen (wiederum einen gewissen Prozentsatz an Fehlern tolerieren), hängt dann die benötigte Energie pro Bit auch von der Rate ab?

@julianfernandez Ich bin mir nicht sicher, ob "Energie zum Übertragen von Informationen" unbedingt dasselbe ist wie "Energieverlust, wenn ein bisschen Information zerstört wird". Entweder das, oder ich verstehe Landauers Prinzip nicht.
@Floris Ich arbeite schon lange nicht mehr in diesem Bereich, also könnte meine Erinnerung falsch sein. Aber ist eines der Themen, die ich mag. Ich werde versuchen zu sehen, ob ich eine gute Antwort finden kann (ich dachte, jemand anderes würde darauf antworten). Ich werde heute später daran arbeiten.
Mittlerweile gibt es diesen ziemlich alten Artikel ruf.rice.edu/~mobile/elec518/readings/DevicesAndCircuits/…
Es gibt ein fantastisches Papier von Seth Lloyd mit dem Titel Ultimate Physical Limits to Computation , das ein sehr verwandtes Konzept anspricht und Ihre Frage tatsächlich beantworten könnte.
In der klassischen Welt gibt es keine untere Grenze. Sie übertragen das Bit einfach, indem Sie entweder eine Masse in Richtung der anderen Station schieben oder nicht. Indem die Masse beliebig klein und/oder langsam bewegt wird, kann die Energie beliebig klein sein. In der Quantenwelt ist es jedoch weniger offensichtlich. Bei einer wilden Vermutung würde ich sagen, dass die Energie-Zeit-Unschärferelation relevant werden könnte.

Antworten (1)

Die kurze Antwort auf die erste Frage lautet ja. Sie benötigen genug Leistung über dem Rauschpegel Ihrer Systeme (und Platz), um überhaupt ein Signal von woanders zu empfangen. Sie können Artikel zum Shannon-Hartley-Theorem nachschlagen , in denen die Beziehung zwischen Informationsübertragung und Leistung, Bandbreite usw. erörtert wird.

Dies ist einer der einschränkendsten Faktoren, wenn es darum geht, wissenschaftliche Daten von Raumfahrzeugen zurückzubekommen. Da die Leistung des Signals abfällt ∝ R − 2 wird die Fernkommunikation mit Raumfahrzeugen zu einer Haupteinschränkung. Raumfahrzeuge werden im Allgemeinen durch photovoltaische Zellen (dh Sonnenkollektoren) mit Energie versorgt, und diese Zellen haben eine endliche Größe. Die Größe des Raumfahrzeugs ist durch die Größe der Rakete und der Verkleidung begrenzt . All diese Dinge werden also vor dem Start berücksichtigt.

Die Menge an Energie, die produziert werden kann, wird durch die Menge an Sonnenlicht bestimmt, die sie umwandeln können, und hängt von der Effizienz, dem Einfallswinkel und der Oberfläche ab. Wenn sich also ein Raumschiff weiter von der Sonne (und der Erde) entfernt, sinkt seine Fähigkeit, Energie für ein Signal zu erzeugen, sowohl durch niedrigere Lichtstärken als auch durch den Abfall der auf der Erde empfangenen Sendeleistung.

Ich denke, die Antwort auf Ihre zweite Frage ist "irgendwie" oder "vielleicht". Ich bin mir da nicht sicher, aber ich weiß, dass es definitiv minimale Energiebedingungen bei der Informationsübertragung gibt. Ich schätze, meine Befürchtung bei der Beantwortung Ihrer zweiten Frage ist darauf zurückzuführen, wie Sie sie formuliert haben. Ich bin mir nicht ganz sicher, was Sie mit diesem Teil fragen oder suchen.

Dies ist eine gute Antwort auf die Anforderungen in der Praxis, aber ich wäre auch neugierig, was im Prinzip erforderlich wäre. Unter den idealsten Umständen können wir zu einem Gedankenexperiment kommen, das keine grundlegenden Gesetze der Physik verletzt (sagen wir, wenn Sender und Empfänger die einzigen Objekte in einem perfekten Faraday-Käfig wären, der sie vollständig von externen Quellen elektromagnetischer Wellen isoliert). Würde die von Null verschiedene Grundzustandsenergie des Vakuums eine ultimative untere Grenze auferlegen, frage ich mich?
@Hypnosifl - Leider geht das weit über mein Fachgebiet hinaus. Quantum hat mich jedoch gelehrt, dass Praktikabilität in manchen Situationen wichtiger ist als reine Theorie (ironisch, nein?).
Gibt es eine Untergrenze für die Energie, die benötigt wird, um ein Informationsbit zu übertragen?
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