为什么噪声会增强对弱信号的敏感度

一组日本研究人员发现了一种解释随机共振的新机制，其中对弱信号的敏感性因噪声而增强。该发现有望帮助电子设备变得更小，更节能。

噪音通常是淹没小信号的麻烦。例如，它可以阻止您在对话过程中捕捉到您的伴侣所说的内容。然而，众所周知，生物体更容易在嘈杂的环境中检测捕食者，因为噪声增强了感觉器官的敏感性。这种称为随机共振的现象被认为对工程设备和解决各种其他领域的噪声问题具有重要意义。然而，自1981年初现报告以来，噪音增强对弱信号的敏感性的原因尚无令人信服的解释。

阻碍研究人员充分理解这一现象的一个绊脚石是涉及摩擦和波动的非线性理论的复杂性，这两者都被认为是这种现象的必要条件。

为了解决这个问题，由北海道大学Seiya Kasai教授，名古屋大学的Akihisa Ichiki副教授和丰田中央研发实验室的高级研究员Yukihiro Tadokoro组成的团队建立了一个排除摩擦力的简单模型，该参数是他们认为在纳米和分子尺度系统中可以忽略不计。

研究人员发现双稳系统中的灵敏度和噪声之间存在相关性，这种非线性系统具有两个稳定状态，并允许它们之间的转换取决于输入值，如跷跷板。他们还发现了高斯白噪声的作用，这是自然界中广泛存在的最标准噪声。

当在没有摩擦的情况下发生转变时，双稳系统对高斯噪声施加的弱信号的灵敏度变得非常高。此外，研究人员发现高斯分布函数在其尾部边缘的相对差异 - 这决定了灵敏度。这意味着通过增加双稳系统的阈值，灵敏度变得异常高。该理论已经通过称为施密特触发器的电子双态器件进行了实验验证。

预计这一发现将为使用噪声而不是消除噪声铺平道路，这将有助于建立新技术。它可以帮助电子设备变得更小，更节能。“由于普遍存在高斯噪声，我们的研究应该有助于我们更好地理解自然界和社会中的各种非线性和波动现象。” Kasai说。