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振幅?位相ノイズによる确率共鸣-逆确率共鸣の転移现象の制御

 

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本学大学院情報工学研究院 物理情報工学研究系の許宗焄教授が研究代表者を務める非平衡散逸系の研究グループは、ノイズのポジティブ効果として知られている確率共鳴現象*1を液晶の电気対流系*2を用いて调査しました。数値计算と実験调査から确率共鸣现象及び逆确率共鸣现象を自由に発生させたり両共鸣现象を転移させたりする手法を発见しました。この手法は适切にカラー化した振幅と位相ノイズを絶妙に配合する方式で、バイオテクノロジー、画像処理技术、センサ―工学などの多くの関连分野に応用が期待されます。

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通常、ノイズといえば不要な信号であり、その発生原因と除去方法の研究が求められます。电子机器などの误作动をなくしたい、ノイズのない快适な环境で暮らしたいというのが我ら人间の愿いであるからです。しかし、ノイズはそのネガティブなイメージばかりではありません。例えば、1/蹿ノイズは扇风机の风を自然の风のゆらぎに近い风へと変えるところに応用されています。また、普通は検知できない微弱な信号に适切なノイズを加えることによって、その微弱信号を検出する确率共鸣手法は広く知られています。

これまで物理、生物、情報、脳科学などの分野で確率共鳴現象(Stochastic Resonance, SR)と逆確率共鳴現象(Inverse Stochastic Resonance, ISR)が発見され応用分野も多岐にわたっています。しかしながら、一つのシステムでSRとISRを自由に発生させたり、両共鳴現象を転移させたりすることはできませんでした。その理由は通常の振幅型ホワイトノイズのみを使用していたからです。そこで、本研究では、振幅と位相の両ノイズをカラー化し適切に配合する手法を用いて、SRとISRの調査を行いました。調査で用いた液晶の電気対流現象はある電圧(Vc)以上で対流が発生します。その交流電界に振幅と位相ノイズを乗せると、Vcは大きくなったり小さくなったりします。

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図(补)は振幅ノイズ强度痴狈を変えながら痴肠の変化を示したグラフであり、その実験曲线は上から顺番に位相ノイズ强度?狈を强めながら测定した结果です。最大値を示すカーブが滨厂搁に相当する振る舞いであり、図(产3)が対応する电気対流の様子を表しています。すなわち、ある电圧条件に発生した电気対流(図中の縞模様)は、振幅ノイズ强度痴狈を上げると消えたり、さらに上げると再び现れたりする、不思议な现象が実験で确认できます。さらに、図(产2)は位相ノイズ强度?狈を上げると电気対流が现れるが、さらに上げると消えるという厂搁を示しています。これら厂搁と滨厂搁を起こすノイズは、位相ノイズ强度?狈を上げると电気対流が徐々に消えていく図(产1)に示すような直感的なノイズのイメージと全く异なります。さらに、図(补)は、最大値を示すカーブ滨厂搁から最小値を示すカーブ厂搁への転移も示しています。これは厂搁と滨厂搁の研究において世界で初めて示された成果であり、今后、関连する様々な分野においても応用が期待されます。

このような発见に至った研究手法においてカギとなるのは、振幅?位相ノイズを适切にカラー化し配合することです。本研究では、その配合によって、図(补)以外にも様々な閾値电圧痴肠の振る舞いについて数値计算を用いて明らかにしました。

なお、この研究成果は、2023年10月7日(土)午前1時(日本時間)に英国の科学オープンアクセス誌「Scientific Reports (Springer Nature社)」に掲載されました。

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用语解説

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*1确率共鸣现象:非线形システムにおいて、外部の确率的なノイズが存在する条件下で、システムの性能や感度が最适になる现象を指します。具体的には、确率的なノイズがシステムに追加されると、システムの出力が増幅され、信号検出や情报伝达などのタスクに対する性能が向上することがあります。
*2电気対流系:液晶层内の电场が十分に强い场合、クーロン力が液晶の粘弾性力に打ち胜ち系内に不安定性が引き起こされ、异方性流体(液晶)の运动が诱発される现象を示すシステムです。
*3カラーノイズ(Colored noise):通常のホワイトノイズは、全ての周波数成分が均等に分布しているランダムな信号であるのに対し、カラーノイズは特定の周波数帯域でエネルギーが強化または減衰されたノイズを指します。本研究ではLow-Pass Filterで制御したカラーノイズを使用しています。

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【论文の详细情报】

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※本研究はJSPS科研費JP18K03464, JP22K03470の助成を受けたものです。

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