System Lab 7 Introduction - UTokyo Graduate School of IST

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Makoto Naruse

May 23, 2020
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  1. 1. 光を⽤いた意思決定メカニズム 2. 新たな光機能システム 3. 圏論的システムデザイン AIフォトニクス – 光を⽤いた意思決定 ・超⾼速レーザーカオス意思決定

    ・もつれ光⼦を⽤いた協調意思決定 ・ナノフォトニクスを⽤いた超⾼集積意思決定 ・応⽤システム︓瞬時チャネル制御など 新しい光システム ・アービトレーションフリー・遅延保証ネットワーク ・光を活⽤した⼈⼯データ⽣成 ⾃然計算・⾃然知能デザイン ・圏論にインスパイアされた新たなシステム理論 http://www.inter.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/ 情報物理・光システム学研究室 (システム情報第7研究室) ⼤学院⼊試説明会資料(2020/5/23)
  2. 2 情報物理・光システム学 Optics and Photonics News 2016 Optics and Photonics

    News 2018 (テーマ1)~(テーマ4)
  3. 3 Optics and Photonics News (2016) (テーマ1)~(テーマ4)

  4. Deep learning by nanophotonics (MIT) Coherent Ising Machine (NII/Stanford) Quantum

    annealing D-wave CMOS annealing chip 日立製作所 光リザーバーコンピューティング (欧州他) AI時代において「物理系を活かした機能構築」 はますます重要な強⼒な潮流 4 ポストムーア、Beyond Neumann、 Reboot Computing (IEEE) メタマテリアルから光コンピューティングへ (Univ Pennsylvania 他) パスゲートロジック/イン・ネットワークコンピューティング (NTT他) 光を⽤いた意思決定 (東⼤) ⾰新的コンピューティング (JST さきがけ/CREST)
  5. 5 APL Photonics 2019 (招待論⽂) IEEE JSTQE 2019 (招待論⽂) 電⼦情報通信学会誌

    2020 (招待論⽂) Nature Research 2019 他にも多数の原著論⽂、総説を出版してい ますので興味があれば研究室Webサイトを 参照してください http://www.inter.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/
  6. 6 ▪意思決定 不確実に変化する環境のなかで、試⾏錯誤により適切な判断を下すこと ⾏動 報酬 意思決定 システム 動的・不確実に変化する環境

  7. 物理を直接に活かした意思決定 単⼀光⼦を⽤いた意思決定 (Sci. Rep. 2015) 波動性(探索) と粒⼦性(決断) 光カオスを⽤いた超⾼速意思決定 (Sci. Rep.

    2017) 超⾼速 1GHz (100 Gsample/s) インパクト 世界発の光知能 •ロボティクス •Fintech なぜインパクト︖意思決定(強化学習)=広範かつ重要な応⽤の基盤︕ •AI, データセンター •サーチ •無線網 •IoT •広告 上昇気流 あまりよくない気流 Microsoft DeepMind Google本社へ招聘(Sci.Foo) 横幹連合⽊村賞 ドコモ・モバイル・ サイエンス賞 (2018)
  8. 意思決定問題の基盤︓多本腕バンディット問題 当たり確率 PA PB PC 機械学習アルゴリズム -greedy, softmax, upper confidence

    bound (UCB), … 光の極限性能活かし新たな原理を提案 わたしたちのアプローチ 従来
  9. レーザーカオスを⽤いた超⾼速な意思決定 M. Naruse, et al. Scientific Reports 2018 9 信号の拡散性と意思決定性能分析

  10. 10 ▪これまでの MAB: 1位の発⾒のみ ▪現実の応⽤: 1位のみならず、時として、2位、3位の重要が不可⽋ → 順序構造の認識︕ Narisawa et

    al. KJCCS 2020 (Best Student Paper Award) 順序構造の認識
  11. 11 フォトクロミックナノ構造からのシューベルト多項式⽣成 ▪ナノ領域でのフォトクロミズム →形状変化と局所光伝搬の競合・バランス →複雑な構造︕ ▪フォトクロミック複雑構造での 局所光伝搬と受光プロトコル → 組み合わせ幾何学の基礎である シューベルト多項式の⽣成に成功︕

    2020
  12. フォトニクスと⾼周波電⼦デバイスの融合 ⼀般的な解決策 ⾼速→低速変換(DEMUX) + 低速回路(ASIC/FPGA) まずは、意思決定に必要な計数処理(履歴記憶)に着⽬ Sci Rep 2017, Sci

    Rep 2018 ・意思決定の後処理系は低速 ・コヒーレント光通信等でも先端研究は 後処理依存( 普遍的重要課題) 例︓シリコンによる超⾼速信号⽣成の実現 (300 GHz 動作シリコン集積回路) Hara, Kasamatsu, et al. ISSCC 2016 課題 従来 ・⼀般に(極めて)⾼コスト ・光の良さを消しかねない 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: 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、第79回応⽤物理学会秋 季学術講演会、講演予稿集(2019.9.19) 12 NICTの独⾃技術&⾼いポテンシャル 180 nm ファウンドリ サービス(TSMC) 計数機能を実験的に確認 [新規設計回路] NICTとの共同研究
  13. 7 7 7 7 7 7 SLOT MACHINE A SLOT

    MACHINE B REWARD PROBABILITY 0.2 0.8 PLAYER 1 PLAYER 2 競合的バンディット問題 意思決定の競合 CONFLICT OF INTERESTS!!
  14. 14

  15. ▪全体最適化(Social optimization) ▪公平性(Equality) Conflict ! OR MACHINE A MACHINE B

    PLAYER 1 PLAYER 2
  16. 16 N. Chauvet et al. Entangled-photon decision maker. Sci. Rep.

    2019 競合の低減︕ チームとしての 報酬増⼤︕ エンタングルメントを⽤いた協調的意思決定
  17. 17 Nature Research 社のWEBサイト(Behavioural & Social Sciences)でフィーチャーされた エンタングルメントが意思決定を⾰新する ⾏動科学・社会科学

  18. 18 Takeuchi et al Sci Rep 2020 光意思決定を動的チャネル選択に応⽤

  19. 19 瞬時チャネル制御に関する研究 ・アンテナ側の⾼度化 ・エンタングルメント活⽤の探求 ・順序認識/制御 ・端末側の⾼度化 ・順序認識/制御 光を⽤いた意思決定 光を⽤いた意思決定 *

    Proof-of-Concept: POC *WiWi を⽤いたPOC*システム Shimomura et al. IEICE CCS/NLP (2020.6) 5G、Beyond 5G を⾒据えた 共同研究を推進中です 東京理科⼤・釜⼭国⽴⼤
  20. 20 敵対的⽣成ネットワーク Generative Adversarial Network (GAN) Radford, et al. 2015

    Answer z x Noise Genuine data G D 識別器(Discriminator) ⽣成器(Generator) Karras, et al. 2018
  21. 21 光カオスを⽤いた⼈⼯データ⽣成 ▪光技術の「⼈⼯データ⽣成」への初めての応⽤ 2019 レーザーカオス時系列 により⽣成した顔画像 疑似乱数により ⽣成した顔画像(従来) フォトニクスが AI分野に貢献できる

    新たな可能性 光カオスの性質が⽣成顔画像に伝搬
  22. 22 ▪実験により⽣成した光カオス時系列→GAN成功 (Sci Rep 2019) ▪テントマップ(カオス写像の⼀種)→GAN不成功 ▪ロジスティックマップ(カオス写像の⼀種)→GAN不成功 同じカオスでも、成功するカオスと不成功のカオスがある︕ なぜ︖何がどう効いている︖ ▪光カオスの理論モデル(Lang-Kobayashi⽅程式)による探求

    ・顔⽣成の傾向をつかみかけてきた︕(有効パラメータ領域など) ・同性の顔だけ(︕)⽣成される領域など、特異な⽣成も観測︕ Maeda et al. IEICE CCS/NLP to appear (2020.6) 最近の研究から
  23. 23 アービトレーションフリーネットワーク もしできれば・・・ ・物理層の本来のポテンシャルを引き出す (光の⼤容量性、⾼速性) ・効率の⾰新 ・遅延の保証 (ハードリアルタイム、 プレディクタブルリアルタイム等) ・全く新しい応⽤の創出

    (⾞載光ネットワーク等) 現在の情報ネットワーク 意味のある情報 追加の⼿間 (オーバーヘッド) ・多数回の光電変換/計算処理/複雑な調停 →オーバーヘッド.光の⾼速性阻む ・遅延→AI時代においてクリティカルな課題 (⾃動運転等)
  24. 24 無線双⽅向時刻⽐較技術 WiWi [Wireless two-way Interferometry] 時刻差、遅延を知り 時計(絶対時刻)を合わせる (精度︓5 ps)

    時刻同期を活⽤した 新たなネットワーキングの可能性 WiWi: NICT 志賀博⼠が開発
  25. 25 A B A T B T 双⽅向時刻⽐較技術の原理  

    at B at A 2 c t       at B at A 2      B A c T T t   時刻差 伝搬遅延(距離) at B B A c T T t         at A A B c T T t          
  26. 26 最⼤遅延の保証 送信キューの先頭から通信完了までのレイテンシ (word) リング状のネットワークを想定 (光ネットワークの代表的構成の⼀つ) D. Koyama, et al.

    KJCCS (2020)
  27. 27 時刻同期に基づく調停ナシ・遅延保証ネットワーキングの基礎実験システム D. Koyama, et al. KJCCS (2020) 実験結果

  28. 圏論的システムモデリング M. Naruse S.-J. Kim, M. Aono, M. Berthel, A.

    Drezet, S. Huant, H. Hori: Category Theoretic Analysis of Photon-based Decision Making, International Journal of Information Technology & Decision Making, Vol. 17, No. 5, pp. 1305-1333, 2018. ▪圏論(三⾓圏)を⽤いた光意思決定メカニズムの理論 ▪局所リザーバーによる意思決定の理論 (選択による選好性の強化) 28 Plos One 2018 G. Northoff教授(オタワ⼤学)と協働
  29. ▪⾃然変換を⽤いた知的システムの基礎理論 ▪「モビリティの圏」を提唱 ▪「⾃然変換」によるシステムの特徴づけ ▪ソフトロボットを事例として理論を実践 29 Complexity 2019 光に限らず、物理系を⽤いる知的機能の理論へ 圏同型 同型

  30. アウトリーチ/国際ワークショップほか 30 ▪ WEBサイト ▪国際ワークショップ UCNC 2018 (仏) ▪NOLTA (毎年)

    ▪応物学会シンポ ▪国際強化(研究者招聘&派遣) •S. Huant, G. Bachelier (仏)招聘 •G. Northoff (Canada)招聘 ▪勉強会 (東⼤) •N. Chauvet(仏)東⼤着任 •内⼭(⼭梨⼤) 仏派遣 2019 ▪夢ナビライブ (YouTube) ⻄郷(⻑浜バイオ⼤) 内⽥欣吾(⿓⾕⼤) •A. Roam (スペイン,I. Fisher 教授グループ) 招聘 ▪パレルモ⼤学WS •成瀬 Univ. Grenoble Alpes 招聘教授 2017 2019
  31. 31 システム情報第7研究室 ▪フォトニクス分野、情報フォトニクス分野などの伝統的分野が⼀つの強⼒な ベースキャンプです。 ▪⾮線形科学とその応⽤分野、ネットワーク分野などの伝統的分野も強⼒なベース キャンプです。 落ち着いた基盤と幅広いネットワーク を確⽴し、その上でチャレンジしています。 (専⾨の安定感・安⼼感と挑戦の両⽴) その他のリマーク

    私たちの研究室は Emerging Research Area に取り組んでいますが、 その基盤は⾮常に安定していると考えています。 ▪世界最先端の学際融合領域に取り組んでいます。どんな専⾨分野出⾝でも、⾃然なかた ちで、最先端研究に到達できます︕ システム情報⼯学、数理⼯学、物理⼯学、コンピュータ科学、電⼦情報学、⽂系・・・ ▪同時に、安定感、安⼼感も重視 オンザジョブで急速に成⻑できます 光情報処理、光コンピューティング︓⻑い歴史と伝統
  32. 32 32 意思決定というトピックス ▪光・⾃然系との関わり。情報通信システム、AIとの関わり ▪新しい理論モデルの探求、実現原理の探求 ▪極めて学際的な研究領域 ・情報通信、計算機科学 ・強化学習、AI ・数理科学 ・ゲーム理論、進化ゲーム理論、⾏動経済学

    ・物理学(古典・量⼦・統計・⾮線形科学・カオス) ・精神医学、脳科学、⼼理学 図 Systems Innovationより引⽤ 例
  33. 33 ▪⾼いレベルのジャーナル掲載実績(研究室WEBサイトへ) ▪2019年度発⾜の新しい研究室ですが、 CRESTや科研費などプロジェクト研究、 内外との共同研究を活発に⾏っています。 ▪英語による⽇常的コミュニケーション (助教ニコラ) (世界標準(本当に︕)慣れれば簡単︕(本当に︕)実⼒がつきますよ︕) 気軽に相談ください。 研究内容、研究環境、研究計画など

    Email: makoto_naruse@ipc.i.u-tokyo.ac.jp http://www.inter.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/