金沢大學,科學技術振興機構(JST)

令和3年6月17日

金沢大學
科學技術振興機構(JST)

流れの渦が情報処理能力の鍵

~バーチャルな物理リザバー計算で実現~

金沢大學 理工研究域 數物科學系の野津 裕史 教授、東京大學 大學院情報理工學系研究科 情報理工學教育研究センターの中嶋 浩平 準教授の共同研究グループは、新規情報処理技術である物理リザバー計算を、數値シミュレーションを用いてバーチャルに再現することにより、円柱周りの流れ現象における渦が情報処理能力の鍵であることを明らかにしました。

近年、新規情報処理技術の1つである物理リザバー計算が注目されています。これは、リカレント?ニューラル?ネットワーク(RNN)の學習法の一種であるリザバー計算の物理実裝版で、物理系を巨大なRNNと見立てて計算を実裝し、主要な演算を物理リザバーである物理系のダイナミクス(重力、風力といった物理的な現象で生じる物體の動作)にアウトソースします。通常の學習で用いられる逆伝播による重みの最適化は不要で、少ない計算資源かつ瞬時に最適化可能という長所を持っています。ただし、その情報処理能力は物理リザバーの能力次第であるため物理リザバーの調査?最適化が重要です。さらには、高い情報処理能力を持つ物理リザバーの設計の際には、數値シミュレーションによる実験コスト(物理実験の試行回數、條件の數、設備材料費など)の低減が期待されます。水や空気などの多様で複雑なパターンを示す流れ現象は興味深い物理系ですが、數値シミュレーションによるバーチャルな物理リザバー計算や情報処理能力の調査は、その比較的高い數値計算コスト(數値計算に要する時間、メモリーなど)から実現されていませんでした。それゆえ、流れ現象で生じる渦と情報処理能力の関係も未知でした。

本研究では、流れ現象の1つで、物理系で伝統的によく研究されている円柱周りの流れを空間2次元の數値シミュレーションによってバーチャルに実裝し、流速と圧力のダイナミクスを物理リザバーとして用いました。流れの特徴を示すパラメーターであるレイノルズ數の値を変化させた結果、円柱後方に形成される雙子渦が大きくなるに従って情報処理能力が高くなること、および、渦が最も大きくなり、渦が交互にできるカルマン渦へと遷移する直前のレイノルズ數において最も高い情報処理能力を持つことを明らかにしました。また、カルマン渦はそのままでは情報処理能力が低いことも分かりました。

今回得られた流れの渦と情報処理能力に関する知見は、將來、流れを用いた物理リザバーの情報処理能力を引き出す際に活用されることが期待されます。

本研究成果は、2021年6月17日(日本時間)に英國物理學會出版局(IOP Publishing)から発行されている「New Journal of Physics」のオンライン版に掲載されます。

本研究は、科學技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST「數學?數理科學と情報科學の連攜?融合による情報活用基盤の創出と社會課題解決に向けた展開」研究領域(研究総括:上田 修功)における研究課題JPMJCR2014「力學系理論に基づく物理リザバー計算能力の強化」(研究代表者:野津 裕史)、さきがけ「社會的課題の解決に向けた數學と諸分野の協働」研究領域(研究総括:國府 寛司)における研究課題JPMJPR16EA「界面をもつポリマー流體の3次元挙動の數理解析」(研究者:野津 裕史)、日本學術振興會(JSPS)科學研究費助成事業 基盤研究(B)JP18H01135「粘弾性流體に特有な渦の數理解析」(研究代表者:野津 裕史)、新エネルギー?産業技術総合開発機構(NEDO)「高効率?高速処理を可能とするAIチップ?次世代コンピューティングの技術開発/次世代コンピューティング技術の開発」における研究課題「未來共生社會にむけたニューロモルフィックダイナミクスのポテンシャルの解明」※東京大學のみ の支援を受けて実施されました。

<プレスリリース資料>

<論文タイトル>

“Twin vortex computer in fluid flow”
DOI:10.1088/1367-2630/ac024d

<お問い合わせ先>

(英文)“Vortex, the Key to Information Processing Capability”

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