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2021 Fiscal Year Annual Research Report

光の波動カオス現象に基づく情報処理と動的深層学習

Research Project

Project/Area Number 20H04255
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

砂田 哲  金沢大学, 機械工学系, 教授 (10463704)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 原山 卓久  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70247229)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsリザバーコンピューティング / スペックル / ニューラルネットワーク / 高速ランダムパターン生成
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的の一つは,柔軟で高度な並列分散処理機能を光の物理現象に担わせることで認識・予測処理を高効率かつ高速に実行する光情報処理系を提案・実証することである。昨年度,光による仮想的な空間連続的ニューラルネット(光ニューラルフィールド)の概念を導入し,光ニューラルフィールドを生成するシリコンチップを製作した。これにより光ニューラルフィールドによる大容量のリザバー計算が可能となった。今年度は,カオス時系列予測,母音認識等の標準的なタスクに対して,その製作した光シリコンチップの処理能力を評価したところ,全てのタスクにおいて既存の光リザバー計算を超える性能があることを示した。特に,カオス時系列予測タスクにおいては,12.5GS/sでの入力レートに対する高速処理を示すことができた。2つ目の成果は,超高速現象の認識処理に向けた前処理系を構築したことである。本システムは,高速な光ランダムパターン生成器とそれを捉える検出系からなっており,高速に物体のイメージを時系列信号に変換することができる。実際,12.5GS/sのレートでスペックルと呼ばれる複雑パターンを生成し、それを物体に照射することで、12.5GS/sのレートでの時系列データ変換を示すことができた。また,認識したい物体をディスプレイに映した手書き数字として,その時系列データ変換を行い,主成分分析や多様体学習で低次元化させた結果,数字ごとのクラスタリングが可能であることを確認した。また,時系列データをニューラルネットで学習したところ96%以上の認識率を確認できた。3つの目の成果は, Direct feedback alignmentと呼ばれるランダム行列を用いた学習方法を最適制御の文脈に展開し,実際のシステムでの学習処理に応用可能としたことである。この成果に基づき,光電気遅延システムへの実装を検討中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当該年度は,当初の研究実施計画に従い,上述の光シリコンチップでの情報処理能力の評価を実施した。また,本成果のインパクトを強めるため,物体を超高速で認識可能な前処理システムを考案し,その原理実証実験にも成功した。さらに,昨年度に提案した動的な深層学習的情報処理の方法を実際のシステムへ実装するための新しい学習方法を提案し,最終年度での実証実験に向けた準備を着実に進めることができた。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に作製した光シリコンチップはスパイラル状の結合多モード導波路構造をとっているため,非常に無駄の多い構造をしていた。無駄を取り除き,且つ波動カオスを生成して混合性を増加させて情報処理能力を高めることが可能なシナイのビリヤード型の微小共振器チップを今年度作製して基本性能を確認した段階である。最終年度は,波動カオス微小共振器チップを使ったリザバー計算能力を明らかにして,他光回路チップとの性能比較を実施する。また,今年度開発した前処理システムの安定性を高めて,波動カオスを用いた物体認識にも挑戦する。さらに,本提案の最適制御による光電気遅延システムでの学習実証実験を実施する予定である。

  • Research Products

    (27 results)

All 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 7 results)

  • [Journal Article] Photonic neural field on a silicon chip: large-scale, high-speed neuro-inspired computing and sensing2021

    • Author(s)
      Sunada Satoshi、Uchida Atsushi
    • Journal Title

      Optica

      Volume: 8 Pages: 1388~1388

    • DOI

      10.1364/OPTICA.434918

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Lyapunov exponent analysis for multilayer neural networks2021

    • Author(s)
      Kondo Misaki、Sunada Satoshi、Niiyama Tomoaki
    • Journal Title

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      Volume: 12 Pages: 674~684

    • DOI

      10.1587/nolta.12.674

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] べき分布にしたがう間欠的な半導体レーザー発振挙動の発生条件2022

    • Author(s)
      新山友暁,砂田哲
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] ナノ秒スケール現象の検出を可能にする高速光シングルピクセル分類器2022

    • Author(s)
      花輪仁成、砂田 哲,新山 友暁
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] シリコンチップ上での光のニューロン場ダイナミクスとリザバー計算への応用2022

    • Author(s)
      荒井 航平、花輪 仁成、山口 智也、新山 友暁、砂田 哲
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Symbolic regressionを用いた力学方程式の発見2022

    • Author(s)
      金谷 宗一郎、高野 冬真、近堂 岬、新山 友暁、砂田 哲
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Optical skin:機械学習と光散乱によるマルチモーダル・ソフトセンシング2022

    • Author(s)
      嶋寺 祥、北川 慧、提橋 昂洋、新山 友暁、砂田 哲
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Scalable neuro-inspired photonic computing on a silicon chip2022

    • Author(s)
      S. Sunada and A. Uchida
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Optical Microcavities and their Applications 2022 (WOMA2022)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Universal Single-Mode Lasing in Fully-Chaotic Microcavity Lasers,2022

    • Author(s)
      M. You, K. Makino, D. Sakakibara, Y. Morishita, S. Shinohara, S. Sunada, and T. Harayama
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Optical Microcavities and their Applications 2022 (WOMA2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] オンチップ・光ニューラルダイナミクス:1000 TMAC/s演算を可能にする超高速リザバー計算に向けて2022

    • Author(s)
      砂田哲,古畑玄貴,新山友暁
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会 第42回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] ソフトマテリアル内の光散乱現象と深層学習を用いたマルチモーダルセンシング2022

    • Author(s)
      嶋寺 祥、新山 友暁、砂田 哲
    • Organizer
      非線形問題研究会
  • [Presentation] 力学系の最適制御に基づく物理的深層学習2022

    • Author(s)
      砂田 哲、古畑玄貴、新山 友暁
    • Organizer
      非線形問題研究会
  • [Presentation] 多腕バンディット問題に対する生物種間競争ダイナミクスを利用した強化学習法2022

    • Author(s)
      新山 友暁, 古畑玄貴、内田淳史、成瀬誠、砂田哲
    • Organizer
      非線形問題研究会
  • [Presentation] 超高速な光学ランダムパターンの生成と画像認識への応用2022

    • Author(s)
      花輪仁成、砂田 哲,新山 友暁
    • Organizer
      非線形問題研究会
  • [Presentation] 機械学習の手法を用いた力学系の方程式抽出方法の開発2022

    • Author(s)
      近堂岬、砂田 哲,新山 友暁
    • Organizer
      非線形問題研究会
  • [Presentation] Photonic neural field dynamics and deep learning2021

    • Author(s)
      S. Sunada
    • Organizer
      International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2021 (IS-PALD2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Parallel bandit architecture for reinforcement learning using chaotic laser time series2021

    • Author(s)
      T. Urushibara, N. Chauvet, A. Roehm, S. Kochi, S. Sunada, K. Kanno, A. Uchida, R. Horisaki, and M. Naruse
    • Organizer
      International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2021 (IS-PALD2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Intermittent intensity bursts characterized by power-law statistics in delayed feedback semiconductor lasers2021

    • Author(s)
      T. Niiyama and S. Sunada
    • Organizer
      International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2021 (IS-PALD2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical investigation on ultrafast speckle generation and its application to image recognition2021

    • Author(s)
      J. Hanawa, S. Sunada, and T. Niiyama
    • Organizer
      International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2021 (IS-PALD2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Learning equation of dynamical systems2021

    • Author(s)
      M. Kondo, T. Niiyama, and S. Sunada
    • Organizer
      International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2021 (IS-PALD2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Progress in neuro-inspired photonic computing2021

    • Author(s)
      S. Sunada
    • Organizer
      JSAP-OSA Joint Symposia 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 完全カオス共振器レーザーにおける発進モード単一化現象に関する数値的および実験的研究2021

    • Author(s)
      ユウ ムンヨウ、牧野 航大、榊原 大介、篠原 晋、砂田 哲、原山 卓久
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] フォトニック強化学習における時間割引の解析2021

    • Author(s)
      白鳥 帆香、漆原 昂、ショヴェ 二コラ、砂田 哲、菅野 円隆、内田 淳史、堀崎 遼一、成瀬 誠
    • Organizer
      応用物理学会
  • [Presentation] Physical deep learning based on dynamical systems2021

    • Author(s)
      S. Sunada, G. Furuhata, and T. Niiyama
    • Organizer
      Dynamics Days Europe 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光リザバーコンピューティングとセンシング2021

    • Author(s)
      砂田哲
    • Organizer
      電気学会北陸支部フロンティアセミナー(第25回2021年度福井セミナー)
    • Invited
  • [Presentation] Neuro-inspired photonic computing based on multimode waveguides2021

    • Author(s)
      S. Sunada
    • Organizer
      The 12th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Physical deep learning based on dynamical systems2021

    • Author(s)
      S. Sunada, G. Furuhata, and T. Niiyama
    • Organizer
      IEEE Nanotechnology council, TC-16 Quantum Neuromorphic and Unconventional Computing
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-12-28  

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