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光の極限性能による強化学習の変革と応用開拓

Planned Research

Project AreaPhotonic Computing Highlighting Ultimate Nature of Light
Project/Area Number 22H05197
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
Research InstitutionTokyo University of Science (2022, 2024-2025)
The University of Tokyo (2023)

Principal Investigator

長谷川 幹雄 (2022, 2024-2025)  東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (50358967)

成瀬 誠 (2023)  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (20323529)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 堀崎 遼一  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (20598958)
内山 和治  山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (70538165)
長谷川 幹雄  東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (50358967)
成瀬 誠  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (20323529)
Project Period (FY) 2022-06-16 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥210,730,000 (Direct Cost: ¥162,100,000、Indirect Cost: ¥48,630,000)
Fiscal Year 2025: ¥52,000,000 (Direct Cost: ¥40,000,000、Indirect Cost: ¥12,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥46,540,000 (Direct Cost: ¥35,800,000、Indirect Cost: ¥10,740,000)
Fiscal Year 2023: ¥35,490,000 (Direct Cost: ¥27,300,000、Indirect Cost: ¥8,190,000)
Fiscal Year 2022: ¥24,050,000 (Direct Cost: ¥18,500,000、Indirect Cost: ¥5,550,000)
Keywordsフォトニックコンピューティング / 光コンピューティング / 意思決定 / 強化学習
Outline of Research at the Start

本研究は,意思決定・強化学習機能を光によって実現するメカニズムを探求するとともに,応用システムの開拓に取り組む.これまでの研究は,単一のエージェントが多数のスロットマシンから当たり台を素早く正確に見つけ出すバンディット問題を対象にしていたが,現実の応用では,多状態対応を含めた様々な境界条件の充足が不可欠である.そこで本研究では光カオスや光の量子性に見られる光の特徴を活用し強化学習をスケールさせる新原理の検討を含めた高次機能化を研究する.さらに,動的環境への瞬時適応が必須な通信システムへの応用展開を検討する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、意思決定・強化学習機能を光によって実現するメカニズムを探求するとともに、応用システムの開拓に取り組む。これまでの研究は、単一のエージェントが多数のスロットマシンから当たり台を素早く正確に見つけ出すバンディット問題を対象にしていたが、現実の応用では、多状態対応を含めた様々な境界条件の充足が不可欠である。そこで本研究では光カオスや光の量子性に見られる光の特徴を活用し強化学習をスケールさせる新原理の検討を含めた高次機能化を研究する。さらに、動的環境への瞬時適応が必須な通信システムへの応用展開を検討する。
当該年度においては、光を用いた強化学習の基本構造とその原理を検討し、さらに、学習メカニズムの協力的意思決定、無線通信などへの応用展開について検討を進めた。具体的には、量子ウォークを用いたバンディッドアルゴリズムの構築、ナノフォトクロミズムに基づいた強化学習アルゴリズムの開発、さらに、光意思決定の無線通信システムにおけるリソース割当問題への応用などを行い、多くの研究成果を挙げている。無線通信応用では、主に、非直交多元接続(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)における無線リソース割当、および、ペアリングのアルゴリズムを開発している。大規模なNOMAに適用可能とするために、並列レーザカオスディシジョンメーカーを応用した。Massive MIMOのBeam Alignmentの研究では、レーザカオスや量子ウォークの応用を検討しており、複数のアルゴリズムを開発している。計算機シミュレーションにより、提案手法の有効性を示している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

光を用いた強化学習アルゴリズム、ナノフォトクロミズムに基づいたアルゴリズムの開発、さらに、無線通信システム応用などにおいて多くの研究業績を挙げており、おおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

光意思決定、強化学習に関しては、これまでに、レーザネットワーク、レーザカオスディシジョンメーカー、量子ウォークを用いたアルゴリズムの開発を進めてきたが、それぞれの方向での理論と応用の研究を進めながら、ナノフォトクロミズムなどを用いた新たな強化学習の探索を行なっていく。さらに、応用面においては、NOMA, MIMOなどさまざまな無線通信システムにおける意思決定問題を対象として検討し、従来技術では困難な問題の解決を目指していく。

Report

(1 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 7 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Ultrafast Resource Allocation by Parallel Bandit Architecture Using Chaotic Lasers for Downlink NOMA Systems2024

    • Author(s)
      Sugiyama Masaki、Mihana Takatomo、Li Aohan、Naruse Makoto、Hasegawa Mikio
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: 12 Pages: 18073-18086

    • DOI

      10.1109/access.2024.3358409

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-Speed Resource Allocation Algorithm Using a Coherent Ising Machine for NOMA Systems2024

    • Author(s)
      Otsuka Teppei、Li Aohan、Takesue Hiroki、Inaba Kensuke、Aihara Kazuyuki、Hasegawa Mikio
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Vehicular Technology

      Volume: 73 Issue: 1 Pages: 707-723

    • DOI

      10.1109/tvt.2023.3300920

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Conflict-free joint decision by lag and zero-lag synchronization in laser network2024

    • Author(s)
      Ito Hisako、Mihana Takatomo、Horisaki Ryoichi、Naruse Makoto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1-14

    • DOI

      10.1038/s41598-024-54491-1

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Straightforward Fabrication of Double Roughness Structures on Microcrystalline Film of a Diarylethene Derivative2024

    • Author(s)
      Yuki Hashimoto, Amane Hase, Ryotaro Shiromae, Ryo Nishimura, Masakazu Morimoto, Yohei Hattori, Hiroyuki Mayama, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura, Kingo Uchida
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 40 Issue: 14 Pages: 7661-7668

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.4c00365

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Asymmetric quantum decision-making2023

    • Author(s)
      Shiratori Honoka、Shinkawa Hiroaki、Rehm Andre、Chauvet Nicolas、Segawa Etsuo、Laurent Jonathan、Bachelier Guillaume、Yamagami Tomoki、Horisaki Ryoichi、Naruse Makoto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 14636-14636

    • DOI

      10.1038/s41598-023-41715-z

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Acceleration of Approximate Matrix Multiplications on GPUs2023

    • Author(s)
      Okuyama Takuya、R?hm Andr?、Mihana Takatomo、Naruse Makoto
    • Journal Title

      Entropy

      Volume: 25 Issue: 8 Pages: 1130-1130

    • DOI

      10.3390/e25081130

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The simplest structure of a stable radical showing high fluorescence efficiency in solution: benzene donors with triarylmethyl radicals2022

    • Author(s)
      Hattori Yohei、Kitajima Ryota、Ota Wataru、Matsuoka Ryota、Kusamoto Tetsuro、Sato Tohru、Uchida Kingo
    • Journal Title

      Chemical Science

      Volume: 13 Issue: 45 Pages: 13418-13425

    • DOI

      10.1039/d2sc05079j

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Ultrafast Channel Allocation in Downlink NOMA Using a Parallel Array of Laser Chaos Decision-Makers2023

    • Author(s)
      Masaki Sugiyama, Takatomo Mihana, Aohan Li, Makoto Naruse, Mikio Hasegawa
    • Organizer
      International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Decision Making by Quantum and Near-Field Light2023

    • Author(s)
      M. Naruse, K. Uchiyama, K. Uchida, and H. Hori
    • Organizer
      The 14th Asia-Pacific Conference on Near-Field Optics (APNFO14)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nano-Photoisomerization by Optical Near-Field Excitations2023

    • Author(s)
      K. Uchiyama, K. Uchida, T. Fukaminato, S. Nakamura, M. Naruse, H. Hori
    • Organizer
      10th International Symposium On Photochromism, ISOP 2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Radio-over-Fiber を用いたApproximate Computing の実践的研究2023

    • Author(s)
      石丸 利識,巳鼻 孝朋,鯉渕 道紘,川西 哲也,成瀬 誠
    • Organizer
      電子情報通信学会 NOLTAソサイエティ大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザネットワークの同期現象を用いた瞬時情報処理担体と意思決定2023

    • Author(s)
      巳鼻 孝朋
    • Organizer
      日本学術会議公開シンポジウム 光がもたらす未来社会 ~ICOの新たな発展に向けて~
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited

URL: 

Published: 2022-06-20   Modified: 2025-06-20  

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