物理深層学習を高効率化する新たな学習法とアーキテクチャを開発 ~光ダイナミクスを活用した省資源でスケーラブルな深層学習を実証~

2026-11-05 東京大学

東京大学大学院情報理工学系研究科とNTTの共同研究グループは、光の物理的な動きを計算に利用する「物理深層学習」の新たな学習手法とアーキテクチャを開発した。研究では、光のダイナミクスに見られる過渡カオスや分岐点近傍の特性を活用し、少ない学習パラメータで高い画像認識性能を実現する仕組みを構築した。従来の深層ニューラルネットワークと比較して、認識性能を維持または向上させながら、計算量と学習可能なパラメータ数を最大約90%削減した。また、光と電気を組み合わせた実機実験でも従来手法に匹敵する性能を確認した。さらに、この手法を既存の深層学習モデルに組み込むことで、認識性能を向上させながら計算資源を約40%削減できることを実証した。本成果は、物理現象そのものを情報処理に利用することで、従来の電子計算機に依存したAIの計算効率を改善するものである。将来的には、省電力で拡張性の高い光コンピューティングや次世代AI計算基盤の実現につながると期待される。

物理深層学習を高効率化する新たな学習法とアーキテクチャを開発 ~光ダイナミクスを活用した省資源でスケーラブルな深層学習を実証~
光のダイナミクスを利用した画像認識と学習の概念図

<関連情報>

状態スキップ学習とシングルマップアーキテクチャを用いた光学的ダイナミクスによるスケーラブルな物理深層学習 Scalable physical deep learning using optical dynamics with state-skipping training and single-map architecture

Yongbo Zhang, Mitsumasa Nakajima, Katsuma Inoue, Toshikazu Hashimoto, Yasuo Kuniyoshi & Kohei Nakajima
Nature Computational Science  Published:05 November 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s43588-026-01075-w

Abstract

Escalating energy demands for high-performance machine learning have sparked growing interest in unconventional computing paradigms rooted in physical systems. Central to this direction is leveraging physical properties to design computing frameworks integrating strong learning capabilities, efficient training strategies and practical implementability. Here we present a simple, efficient and scalable framework aimed at achieving this, validated on an optoelectronic platform. This framework features our proposed training mechanism, state-skipping direct feedback alignment, together with our single-map architecture based on simple one-dimensional dynamics. The former eliminates the need to access the system’s intermediate states during training, substantially simplifying error backpropagation, while the latter removes complex internal interconnections. Together, they enhance training efficiency and practical feasibility. Compared with conventional deep neural networks, our approach substantially reduces computational costs and trainable parameter count while achieving comparable performance. Integrated into modern architectures, our scheme attains improved performance with an approximately 40% reduction in computational resources. Notably, our approach challenges the scaling laws of conventional counterparts, underscoring its strong scalability and practical promise.

1601コンピュータ工学
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