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2021 年度 実施状況報告書

光リザーバコンピューティングの多機能化と並列リザーバによる高性能化

研究課題

研究課題/領域番号 20K15185
研究機関埼玉大学

研究代表者

菅野 円隆  埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (10734890)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードリザーバコンピューティング / 時間遅延システム / 機械学習 / 強化学習 / 情報処理容量
研究実績の概要

令和3年度は「リザーバの応答出力と情報処理能力の関係調査」について着目し,研究を行った.具体的には,(1) Karhunen-Loeve展開を用いた解析,(2) Information Processing Capacityによる情報処理能力の定量化 について研究を行った.
Karhunen-Loeve展開は,ベクトルの分布を近似する部分空間を算出する手法であり,時間遅延レーザシステムの複雑さをエントロピーとして定量化するために用いた.その結果,遅延時間が長いほどエントロピーが高くなることが明らかとなった.これは遅延時間が長いほど記憶能力が高くなるため,現在に加えて過去の状態を含めてリザーバが入力を区別していることを意味している.このような特徴は強化学習に適している.時間遅延リザーバを強化学習に利用できれば過去の状態を含めて入力状態を区別できるため,より応用範囲が広がる.そこで時間遅延リザーバを用いた強化学習手法を提案し,実験的な実証を行った.簡単なベンチマークタスクであるが,リザーバを用いた強化学習の実装に成功した.本研究成果をまとめたものを国際学会論文誌Scientific Reportから出版した.
2つ目の解析として,Information Processing Capacity を用いた.これはリザーバが有する情報処理容量を記憶能力と非線形性の両方の観点から定量化する指標である.本解析を光リザーバコンピューティングに対して適用した.特に,光強度変調方式と光位相変調方式の信号入力変調スキームに対して適用し,2つの方式を比較した.その結果,非線形性において光位相変調方式が光強度変調方式よりも優れた性能を示すことが明らかとなった.これは光の複素振幅という特徴がリザーバにおいて有効に働いていることを示唆している.本研究成果はOptics Expressに投稿準備中である.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題の進捗状況は,当初計画のとおりに順調に進んでいる.令和3年度の当初計画は「リザーバの応答出力と情報処理能力の関係調査」であり,順調に遂行することができた.リザーバの情報処理能力を評価するための手法として採用した (1) Karhunen-Loeve展開を用いたエントロピーの評価 および (2) Information Processing Capacity による情報処理容量の定量化 は,リザーバの異なる能力を定量化することが可能である.(1) はリザーバが入力を区別する能力を評価しており,(2) はリザーバの持つ非線形性と記憶能力を評価している.これらの指標に基づいて,時系列予測や非線形チャネル等化などの教師あり学習や強化学習に適したリザーバの構築を行うことができる.また実験および数値シミュレーションの両面から調査を実施することができ,数値シミュレーション結果が実験結果をよく再現していることを確認できた.
また本研究からの着想を得た新たな発展として,リザーバコンピューティングと強化学習との融合についての研究も遂行している.これはリザーバコンピューティングにおけるモデル選択と呼ばれる手法であり,時間的に環境が変化する状況において適応的に情報処理を実現が可能となる.今年度は,本手法を実験的に実装し,さらに変化する環境が複数存在する場合における性能について調査した.その結果,本手法が3以上の異なる環境変化に対しても適用可能であることが明らかとなった.さらに実験的にモデル選択が可能であることを示した.本研究成果は国際学会Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE にて発表済みである.

今後の研究の推進方策

令和4年度は,異なる遅延時間を有する複数の時間遅延システムをリザーバとして使用し,情報処理精度を評価する予定である.これまでの知見から,遅延時間を変化させることで,リザーバとしての能力である非線形性および記憶能力が変化することが確認できている.一般的に物理システムは,その構造を変化させることに制限があるため,情報処理目的に応じてネットワークを変化させることは難しい.しかしながら本研究において時間遅延ループの構造を変化させることを介して,情報処理タスクごとに適したリザーバを実現できることが示唆されている.このとき,非線形性と記憶能力はトレードオフの関係があるため,様々なタスクに適した時間遅延リザーバの実現が難しい.そこで本年度は,異なる遅延時間を有する複数のリザーバを用意し,並列に利用することで多様なタスクへの適応性を向上させることを目的とする.また遅延時間だけでなく,他のパラメータをいくつか選択し,情報処理精度の向上のためにどのパラメータを異なる値に設定することが適しているかを調査する.具体的な情報処理タスクとして,カオス時系列予測タスク,非線形チャネル等化タスク,MNISTと呼ばれる文字認識タスクを用いて評価する.

次年度使用額が生じた理由

半導体不足などの影響で,発注を行っていた物品の納品に遅れが出たため,次年度に納品することとなった.該当物品については今年度早々に納品する予定である.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Experimental demonstration of adaptive model selection based on reinforcement learning in photonic reservoir computing2022

    • 著者名/発表者名
      Mito Ryohei、Kanno Kazutaka、Naruse Makoto、Uchida Atsushi
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: 13 ページ: 123~138

    • DOI

      10.1587/nolta.13.123

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Adaptive decision making using a chaotic semiconductor laser for multi-armed bandit problem with time-varying hit probabilities2022

    • 著者名/発表者名
      Oda Akihiro、Mihana Takatomo、Kanno Kazutaka、Naruse Makoto、Uchida Atsushi
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: 13 ページ: 112~122

    • DOI

      10.1587/nolta.13.112

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Photonic reinforcement learning based on optoelectronic reservoir computing2022

    • 著者名/発表者名
      Kanno Kazutaka、Uchida Atsushi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 ページ: 3720

    • DOI

      10.1038/s41598-022-07404-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fast dynamics of low-frequency fluctuations in a quantum-dot laser with optical feedback2021

    • 著者名/発表者名
      Yamasaki Kazuto、Kanno Kazutaka、Matsumoto Atsushi、Akahane Kouichi、Yamamoto Naokatsu、Naruse Makoto、Uchida Atsushi
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 29 ページ: 17962~17962

    • DOI

      10.1364/OE.426268

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 複雑光ダイナミクスに基づく機械学習手法の発展2022

    • 著者名/発表者名
      菅野 円隆
    • 学会等名
      日本磁気学会 第45回光機能磁性デバイス・材料専門研究会「AI技術の基礎と応用」
    • 招待講演
  • [学会発表] 複雑光ダイナミクスによるリザーバコンピューティングと強化学習の融合2022

    • 著者名/発表者名
      菅野 円隆
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会 第42回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Complex dynamics based on photonics and its applications to machine learning2021

    • 著者名/発表者名
      Kazutaka Kanno
    • 学会等名
      The 16th International Workshop on Optical Signal Processing and Optical Switching (IWOO 2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 複雑系フォトニクスを用いた光リザーバコンピューティングと光意思決定2021

    • 著者名/発表者名
      内田 淳史, 菅野 円隆
    • 学会等名
      2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電気光遅延リザーバコンピューティングにおけるランダムバイアス信号を用いた性能向上2021

    • 著者名/発表者名
      土田 朝陽, 斎藤 健斗, 菅野 円隆, 内田 淳史
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] リザーバコンピューティングの実装と強化学習への応用2021

    • 著者名/発表者名
      菅野 円隆, 内田 淳史
    • 学会等名
      電気学会 光・量子デバイス研究会「パワー光源システム技術研究会」

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公開日: 2022-12-28  

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