ナノ光学とレーザーカオスを用いた超高集積・超高速意思決定の創製

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01277
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 成瀬 誠 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (20323529)
• 研究分担者: 堀 裕和 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (10165574) ; 内山 和治 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (70538165) ; 西郷 甲矢人 長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 准教授 (80615154)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 意思決定

研究実績の概要

本研究では、研究代表者らが世界をリードするナノ光学及びレーザーカオス技術に基づき、人工知能で重要な強化学習の本質である多本腕バンディット問題（意思決定問題）を、光の極限性能とともに物理的に実現することを目指す。具体的には、（１）光の微細化の極限としての近接場光による超高集積意思決定、並びに（２）光の高帯域性の極限による超高速意思決定に関し、スケーラビリティの実証や最適デバイス化を含めた具現を目指す。さらに、（１）、（２）の基盤となる理論を構築するとともに、超高速性などの光のメリットを最大に引き出す応用シナリオを検討する。
今年度は、前年度に実証したカオス時系列の時間多重方式によるスケーラブルな意思決定原理を発展させ、順序認識を可能とさせる新原理を構築し、その成果は国際会議 KJCCS 2020 において Best Student Paper Award を受賞した。またナノ光学の応用では、フォトクロミック結晶の近接場光測定による光子数の空間分布に基づいた多様な時系列生成に成功し、その成果は Scientific Reports 誌に掲載された。さらに、エンタングルドフォトンを用いてチーム全体としての利益を最大化するとともに平等性を保障した社会的意思決定の新たな原理を提案・実証し、その成果は Scientific Reports 誌に掲載された。また、本研究全体に通底する、自然系を用いた情報機能構築の基礎理論に関し、状態遷移可能性に注目した圏である「モビリティの圏」を提唱してきたが、その成果が Entropy 誌に掲載された。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Decision Making Photonics: Solving Bandit Problems Using Photons (2020)
  • 著者名/発表者名: Naruse Makoto、Chauvet Nicolas、Uchida Atsushi、Drezet Aurelien、Bachelier Guillaume、Huant Serge、Hori Hirokazu
  • 雑誌名: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 巻: 26 ページ: 1～10
  • DOI: 10.1109/JSTQE.2019.2929217
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lotka-Volterra competition mechanism embedded in a decision-making method (2020)
  • 著者名/発表者名: Niiyama Tomoaki、Furuhata Genki、Uchida Atsushi、Naruse Makoto、Sunada Satoshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 014801～014801
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.014801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic channel selection in wireless communications via a multi-armed bandit algorithm using laser chaos time series (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Shungo、Hasegawa Mikio、Kanno Kazutaka、Uchida Atsushi、Chauvet Nicolas、Naruse Makoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 1574
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58541-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of Schubert polynomial series via nanometre-scale photoisomerization in photochromic single crystal and double-probe optical near-field measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Uchiyama Kazuharu、Suzui Hirotsugu、Nakagomi Ryo、Saigo Hayato、Uchida Kingo、Naruse Makoto、Hori Hirokazu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 2710
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59603-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental demonstration of random walk by probability chaos using single photons (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Naruse, M. Berthel, H. Hori, A. Drezet, and S. Huant
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 042006～042006
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab7bf8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] On-chip photonic decision maker using spontaneous mode switching in a ring laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Homma Ryutaro、Kochi Satoshi、Niiyama Tomoaki、Mihana Takatomo、Mitsui Yusuke、Kanno Kazutaka、Uchida Atsushi、Naruse Makoto、Sunada Satoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 9429
  • DOI: 10.1038/s41598-019-45754-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Entangled-photon decision maker (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chauvet, D. Jegouso, B. Boulanger, H. Saigo, K. Okamura, H. Hori, A. Drezet, S. Huant, G. Bachelier, and M. Naruse
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 12229
  • DOI: 10.1038/s41598-019-48647-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generative adversarial network based on chaotic time series (2019)
  • 著者名/発表者名: Naruse Makoto、Matsubara Takashi、Chauvet Nicolas、Kanno Kazutaka、Yang Tianyu、Uchida Atsushi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 12963
  • DOI: 10.1038/s41598-019-49397-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Decision making for the multi-armed bandit problem using lag synchronization of chaos in mutually coupled semiconductor lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Mihana Takatomo、Mitsui Yusuke、Takabayashi Mizuho、Kanno Kazutaka、Sunada Satoshi、Naruse Makoto、Uchida Atsushi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 27 ページ: 26989～26989
  • DOI: 10.1364/OE.27.026989
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel frontier of photonics for data processing - Photonic accelerator (2019)
  • 著者名/発表者名: Kitayama Ken-ichi、Notomi Masaya、Naruse Makoto、Inoue Koji、Kawakami Satoshi、Uchida Atsushi
  • 雑誌名: APL Photonics 巻: 4 ページ: 090901～090901
  • DOI: 10.1063/1.5108912
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mathematics and the Brain: A Category Theoretical Approach to Go Beyond the Neural Correlates of Consciousness (2019)
  • 著者名/発表者名: Northoff Georg、Tsuchiya Naotsugu、Saigo Hayato
  • 雑誌名: Entropy 巻: 21 ページ: 1234～1234
  • DOI: 10.3390/e21121234
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Order recognition in multi-armed bandit problem with chaotic laser time series (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Narisawa, N. Chauvet, M. Hasegawa, and M. Naruse
  • 学会等名: The 8th Korea-Japan Joint Workshop on Complex Communication Sciences (KJCCS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Channel selection in wireless communications by multi-armed bandit algorithm using chaotic time series (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Takeuchi, M. Naruse, K. Kanno, A. Uchida, and M. Hasegawa
  • 学会等名: The 8th Korea-Japan Joint Workshop on Complex Communication Sciences (KJCCS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Information network using precision time synchronization via wireless interferometry: delay tolerance and skew evaluations (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Koyama, N. Shiga, S. Yasuda, N. Chauvet, and M. Naruse
  • 学会等名: The 8th Korea-Japan Joint Workshop on Complex Communication Sciences (KJCCS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Decision making using classical and quantum light (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Naruse, N. Chauvet, S.Huant, S. Sunada, A. Uchida, and H. Hori
  • 学会等名: AI and Optical Data Science conference, SPIE Photonics West
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 一方向リングレーザーネットワークにおける遅延カオス同期と意思決定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 巳鼻孝朋、藤井聖広、菅野円隆、成瀬 誠、内田淳史
  • 学会等名: レーザー学会第541回研究会
• [学会発表] 戻り光を有するマルチモード半導体レーザーにおけるモード競合ダイナミクスと意思決定への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩見龍吾、巳鼻孝朋、菅野円隆、成瀬 誠、内田淳史
  • 学会等名: レーザー学会第541回研究会
• [学会発表] 多本腕バンディット問題における最良選択に対する複雑ダイナミクスの効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 河内聡志、新山友暁、内田淳史、成瀬 誠、砂田 哲
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 非定常な報酬確率のバンディット問題における半導体レーザカオスを用いた意思決定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小田章裕、巳鼻孝朋、成瀬 誠、内田淳史
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 綱引き理論に基づく半導体レーザネットワークを用いた意思決定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 巳鼻孝朋、藤井聖広、菅野円隆、成瀬 誠、内田淳史
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] フォトクロミック単結晶薄膜における開環体-閉環体境界の動的形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴井 洸胤、内山 和治、中込 亮、河野 瑠菜、内田 欣吾、成瀬 誠、堀 裕和
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 量子ウォークによるドレスト光子のエネルギー移動の自律性について (2020)
  • 著者名/発表者名: 瀬川 悦生、松岡 雷士、西郷 甲矢人、三宮 俊、大津 元一
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ドレスト光子エネルギー移動における定常状態への収束過程 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宮 俊、西郷 甲矢人、大津 元一
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 近接場分光によるInGaN量子井戸におけるキャリア輸送現象の解明(Ⅱ) (2020)
  • 著者名/発表者名: 櫻井 杏梨、岩本 亘平、石川 陽、堀 裕和、小林 潔、岸野 克巳、酒井 優
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 戻り光を付加された量子ドットレーザーのダイナミクス実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山崎和人、菅野円隆、松本 敦、成瀬 誠、山本直克、内田淳史
  • 学会等名: 2020年電子情報通信学会総合大会
• [学会発表] Decision Making by Photons (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Naruse, N. Chauvet, A. Uchida, S. Huant, H. Hori
  • 学会等名: Conference Proceedings of The 1th International Conference on Multimedia Information Technology and Applications (MITA2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single hybrid plasmonic structures for efficient photon pair production at the nanoscale (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chauvet, M.Corny, G. Laurent, A. Drezet, G. Nogues, G. Dantelle, T.Gacoin, A. Uchida, H. Hori, S. Huant, G. Bachelier, and M. Naruse
  • 学会等名: 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental investigation of nonlinear dynamics and bifurcation in a quantum-dot laser with optical feedback (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Yamasaki, K. Kanno, A. Matsumoto, M. Naruse, N. Yamamoto, and A. Uchida
  • 学会等名: Frontiers in Optics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Decision making using lag synchronization of chaos in mutually-coupled semiconductor lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Mihana, Y. Mitsui, M. Takabayashi, K. Kanno, M. Naruse, and A. Uchida
  • 学会等名: Frontiers in Optics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 相互結合された半導体レーザの遅延カオス同期を用いた意思決定実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高林 瑞穂、三井 湧方、巳鼻 孝朋、菅野 円隆、成瀬 誠、内田 淳史
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 時刻同期を用いた単一ワードアービトレーション光ネットワーク (2019)
  • 著者名/発表者名: 王 允卓、中村文彦、志賀信泰、安田 哲、Nicolas Chauvet、成瀬 誠
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 動的当たり確率の多腕バンディット問題におけるレーザカオスを用いた意思決定方式の性能向上 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小田 章裕、巳鼻 孝朋、岩見 龍吾、菅野 円隆、成瀬 誠、内田 淳史
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] マルチモード半導体レーザのモード競合ダイナミクスを用いた多腕バンディット問題における意思決定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岩見 龍吾、巳鼻 孝朋、小田 章裕、菅野 円隆、 成瀬 誠、内田 淳史
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 量子ドットレーザを用いた戻り光によるカオス生成におけるヒステリシス現象の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松本 敦、赤羽 浩一、山崎 和人、菅野 円隆、山本 直克、堀 裕和、成瀬 誠、内田 淳史
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Entangled Photons, a New Resource for Social Decision Making (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Chauvet, A. Uchida, H. Hori, A. Drezet, S. Huant, G. Bachelier, and M. Naruse
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 超高速意思決定に向けたシリコンCMOS高速履歴記憶の回路設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原 紳介、董 鋭冰、松本 敦、笠松 章史、伊藤 浩之、関根 かをり、成瀬 誠
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] フォトクロミック単結晶薄膜における開環体-閉環体境界の動的形成の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴井 洸胤、内山 和治、中込 亮、河野 瑠菜、内田 欣吾、成瀬 誠、堀 裕和
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 光を用いた意思決定メカニズム (2019)
  • 著者名/発表者名: 成瀬 誠、N. Chauvet、S. Huant、砂田 哲、内田淳史、長谷川 幹雄、堀 裕和
  • 学会等名: 革新的無線通信技術に関する横断型研究会(MIKA)
  • 招待講演
• [学会発表] Decision Making based on Photonics (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Naruse, N. Chauvet, S. Sunada, K. Uchiyama, K. Uchida, M. Hasegawa, A. Uchida, and H. Hori
  • 学会等名: 第４回JSAPフォトニクスワークショップ「光の新時代を切り拓く!!」
  • 招待講演
• [学会発表] Photonic machine learning with microcavities (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Sunada, A. Uchida, and M. Naruse
  • 学会等名: The 6th International Workshop on Microcavities and Their Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optimal complex dynamics for solving multi-armed bandit problems using chaotic time series (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kochi, T. Niiyama, A. Uchida, M. Naruse, and S. Sunada
  • 学会等名: 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Adaptive selection of dynamical models based on decision making in laser-based reservoir computing (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kanno, M. Naruse, and A. Uchida
  • 学会等名: 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Laser network for lag synchronization of chaos and decision making (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Mihana, K. Kanno, M. Naruse, and A. Uchida
  • 学会等名: 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Decision making for multi-armed bandit problem with variable hit probabilities using chaotic laser signals (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Oda, T. Mihana, K. Kanno, M. Naruse, and A. Uchida
  • 学会等名: 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Experiment on decision making using lag synchronization of chaos in mutually-coupled semiconductor lasers with time delay (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takabayashi, Y. Mitsui, T. Mihana, K. Kanno, M. Naruse, and A. Uchida
  • 学会等名: 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2019)
  • 国際学会
• [図書] 23の先端事例がつなぐ計算科学のフロンティア 第22章 (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀 裕和（分担執筆）
  • 総ページ数: 336
  • 出版者: 近代科学社
  • ISBN: 978-4-7649-0608-2
• [図書] 23の先端事例がつなぐ計算科学のフロンティア 第23章 (2020)
  • 著者名/発表者名: 成瀬 誠（分担執筆）
  • 総ページ数: 336
  • 出版者: 近代科学社
  • ISBN: 978-4-7649-0608-2
• [備考] 東京大学成瀬研究室ホームページ
  • URL: http://www.inter.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] Makoto Naruse Web Page
  • URL: https://sites.google.com/site/makotonaruseweb/home
• [備考] 山梨大学堀・内山研究室ホームページ
  • URL: http://www.szr.yamanashi.ac.jp/lab/hori/