The Local Information Dynamics of Distributed Computation in Complex Systems

ماهیت محاسبات توزیع شده در سیستم های پیچیده اغلب از نظر حافظه، ارتباطات و پردازش توصیف شده است. این پایان نامه یک چارچوب نظری اطلاعات کامل برای کمی کردن این عملیات بر روی اطلاعات (یعنی ذخیره سازی، انتقال و اصلاح اطلاعات)، و به ویژه پویایی آنها در فضا و زمان ارائه می دهد. این چارچوب برای اتوماتای ​​سلولی اعمال می‌شود و بینش‌های مهمی را در مورد ماهیت اساسی محاسبات توزیع‌شده و پویایی سیستم‌های پیچیده ارائه می‌کند (به عنوان مثال اینکه گلایدرها عامل انتقال اطلاعات غالب هستند). کاربردهای چندین مدل شبکه مهم، از جمله شبکه‌های بولی تصادفی، نشان می‌دهد که قابلیت ذخیره‌سازی اطلاعات و انتقال منسجم در نزدیکی رژیم بحرانی در انتقال‌های فاز نظم-آشوب به حداکثر می‌رسد. کاربردهای بیشتر برای مطالعه و طراحی ساختار اطلاعات در زمینه های علوم اعصاب محاسباتی و خودسازماندهی هدایت شده بر کاربرد عملی تکنیک های ارائه شده در اینجا تأکید می کند.

The nature of distributed computation in complex systems has often been described in terms of memory, communication and processing. This thesis presents a complete information-theoretic framework to quantify these operations on information (i.e. information storage, transfer and modification), and in particular their dynamics in space and time. The framework is applied to cellular automata, and delivers important insights into the fundamental nature of distributed computation and the dynamics of complex systems (e.g. that gliders are dominant information transfer agents). Applications to several important network models, including random Boolean networks, suggest that the capability for information storage and coherent transfer are maximised near the critical regime in certain order-chaos phase transitions. Further applications to study and design information structure in the contexts of computational neuroscience and guided self-organisation underline the practical utility of the techniques presented here.