System Lab 7 Introduction - UTokyo Graduate School of IST

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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!!
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/