自己回帰生成モデルの熱力学を構築 ―大規模言語モデルに内在する「世界モデル」の定量的理解に向けて―

2026-11-06 東京大学

東京大学の沙川貴大教授は、大規模言語モデル(LLM)などの自己回帰生成モデルを統一的に扱う熱力学理論を構築した。自己回帰生成モデルは、過去の出力履歴に基づいて次の出力を生成する仕組みであり、LLMのほか、信号処理に用いられるカルマンフィルタなども含まれる。本研究では、過去の履歴全体に依存する非マルコフ過程に対して、時間反転に対する生成過程の不可逆性を示す「エントロピー生成」を、膨大な履歴を列挙せず効率的に推定する方法を開発した。さらに、エントロピー生成を各時刻の寄与に分解する情報理論的な構造を明らかにした。GPT-2とQwen3-4B-Baseを用いた実験では、出来事が時間順に進む文章は、文の順序を逆転させた場合に生成されにくく、独立した事実を並べた文章よりエントロピー生成が大きくなる傾向を確認した。生成AIが学習によって獲得する現実世界の時間的・因果的な表現を定量的に調べる新しい理論的基盤となる。

自己回帰生成モデルの熱力学を構築 ―大規模言語モデルに内在する「世界モデル」の定量的理解に向けて―
自己回帰生成モデル(特に大規模言語モデル)の概念図

<関連情報>

自己回帰生成モデルのための確率熱力学:非マルコフ的視点 Stochastic Thermodynamics for Autoregressive Generative Models: A Non-Markovian Perspective

Takahiro Sagawa
PRX Intelligence  Published: 5 November, 2026
DOI:https://doi.org/10.1103/tv38-b23y

Abstract

Autoregressive generative models—including Transformers, recurrent neural networks, classical Kalman filters, state space models, and Mamba—all generate sequences by sampling each output from a deterministic summary of the past, producing genuinely non-Markovian observed processes. We develop a general theoretical framework based on stochastic thermodynamics for this class of architectures and introduce the entropy production, which can be efficiently estimated from sampled trajectories without exponential overhead, despite the non-Markovian nature of the observed dynamics. As a proof-of-concept experiment with a large language model (LLM), we evaluate the entropy production for a pretrained Transformer-based model, GPT-2. We find that the token-level entropy production is dominated by a syntactic artifact, while the sentence-level entropy production tends to be larger for causally ordered than for noncausal text sets. This observation is supported by a reevaluation with a substantially larger model, Qwen3-4B-Base. We also demonstrate the framework in the linear Gaussian case, where the model reduces to the Kalman innovation representation and the entropy production admits an analytical expression. We also show that the entropy production decomposes exactly into non-negative per-step contributions in terms of retrospective inference, and each of those terms further splits into information-theoretically meaningful terms: a compression loss and a model mismatch. Our results establish a bridge between stochastic thermodynamics and modern generative models, and provide a starting point for using irreversibility as a quantitative probe of the highly non-Markovian processes generated by models such as LLMs.

1504数理・情報
ad
ad
ad
タイトルとURLをコピーしました