学術変革領域研究(A)

審査区分 IV

領域略称名 極限光システム
通称名 光×コンピューティング

光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成
Photonic Computing Highlighting Ultimate Nature of Light
2022年8月29日（月）

公募研究説明会
説明者：
領域代表

成瀬 誠（東京大学 大学院情報理工学系研究科）

Web site: https://www.photoniccomputing.jp
Twitter: https://twitter.com/PhotonicComput
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公募研究説明会
１．本研究領域の説明
２．公募研究について
３．補足資料：計画研究の概要
４．補足資料：領域の今後の活動予定
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公募研究説明会
１．本研究領域の説明
２．公募研究について
３．補足資料：計画研究の概要
４．補足資料：領域の今後の活動予定
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学術変革領域研究(A) 「光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成」

研究領域提案の背景(背景1) 情報通信の物量の劇的拡大・要求水準の高度化■情報通信・コンピューティングの物量拡大（ゼッタバイト/日以上）■コンピューティング需要の拡大
人工知能（AI）・機械学習・Beyond 5G・デジタルツイン、・・・(背景2) 従来技術の限界への強い危機感■シリコン集積化の限界（ムーアの法則の終焉）・省エネ性（SDGs、クリーンエネルギー）
・非伝統的コンピューティング（Unconventional Computing）
・物理系を用いたコンピューティング（量子、光、バイオ、・・・）
Google, IBM, Intelなど民間先端事業者も注目(背景3)光科学・光技術（フォトニクス）の発展

光を用いた
コンピューティング（フォトニックコン
ピューティング）の重要性の高まり・研究の活発化■光通信の大容量化・短距離通信の光化■基盤的光デバイス技術の発展（受発光デバイス、撮像デバイス等）■新しい光科学の進展―ナノフォトニクス、複雑系フォトニクス
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補足図：研究領域の背景
(背景2)

(背景1)

ポストムーアの必要性（従来技術の限界
打破の必要性）

情報通信技術によるエネルギー消費の増大(背景1)

IEEE Int. Roadmap for Devices and Systems (IRDS) 2021

（世界を代表するデバイス・システム技術ロードマップ）

情報通信・コンピュー
ティング需要の
爆発的増大

(背景3)
フォトニクスのコ
ンピューティング
へのインパクトNature 2018

Nature 2022

Optics & Photonics News 2018

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光科学分野の世界最大学会
Opticaの解説論文

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国際的研究動向―光とコンピューティング―■ International Roadmap for Device and Systems (IRDS)• 半導体の集積化限界後における革新的デバイス・アーキテクチャの重要性の指摘• 光・フォトニクスは重要な骨格■ 国家プロジェクト例
DARPA • Lasers for Universal Microscale Optical Systems (LUMOS)

光回路• Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES)

EU Horizon 2020

PHOENICS プロジェクト• Photonic Enabled Petascale In-Memory Computing With Femtojoule Energy Consumption (PHOENICS)• Enhance Lighting for the Internet of Things

論文数■ 光とコンピューティングに関わる
学術研究の急拡大（2010年期より）年

Alagappan, et al. Leveraging AI in Photonics and Beyond, Photonics 2022

■ 光とコンピューティング分野からのスタートアップ創業
 Lightmatter社（米）（←MIT）
 Luminous社（米）（← プリンストン大） LightOn社（仏）（←ソルボンヌ大他）

レーザー光源

光回路
Lightmatter社（米） Hot Chips 2020

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本領域研究・計画研究の基本コンセプト―光の極限性能を生かす―

現状認識・課題意識

2010年期以来のフォトニックコンピューティングの目覚ましい展開
AIなどの応用と強い繋がりを持った光アクセラレーターの研究の進展

行列ベクトル演算に過ぎないのか？
重要な論点を見落としていないか？

光及びフォトニクスの本来の性質ー極限性能ーが、十分に生かされているか？

本研究提案の特徴・強み・独創性・新規性 「光の極限性能を生かす」という独自の概念と実績を基礎とした
世界的にも独創性・優位性の高いアプローチ

1．システム構造【独創性・優位性の例】光と近似コンピューティング 他■光の極限性能を引き出すアーキテクチャ

2．メカニズム

構造的限界の克服

連携【独創性・優位性の例】光と意思決定 他■光の極限性能により、新たなコンピューティング機能へ

3．サブストレート

研究柱A

極限性能の利活用【独創性・優位性の例】光多重化リザーバーコンピューティング 他■光の多重性等の極限を引き出すデバイス基盤

未開の潜在能力の開拓

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研究柱B
連携

研究柱C
国際連携

社会貢献
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本領域研究のアプローチ「光の極限性能」とは？
これまで未開拓であった「光の極限性能」をコンピューティングへ展開■広帯域性
光の本来のポテンシャル
従来
光変調

消光比10dB変革

帯域制限信号

変革

■多重性
波長多重
空間並列性

消光比70dB

B02川西（早稲田大）●極限光変調A01鯉渕（NII）●近似コンピューティング

DC～50 GHzに至る広帯域信号・光カオス●従来は不可能な機能実現（複雑系フォトニクス）

従来
基幹系光通信の基盤

変革

B01内田（埼玉大）

コンピューティングの基盤へ C01砂田（金沢大）・空間光変調技術の革新的高度化
1980年代の光コン
変革 ・光と電子のタスク分解
A02川上（九州大）
ピューティングの基盤
・ナノフォトニクスの進展：
エネルギー利用効率 104 倍改善

従来■量子性
単一光子、量子干渉、 量子コンピュー 変革
ティング
エンタングルメント■物理世界とのインターフェース能力
従来

変革
光センサ→デジタル処理（従来の光電融合．ビジョンチップなど）

光の本来のポテンシャル

本領域「極限フォトニック
コンピューティング」への3個のアプローチとその連携
光の極限性能を生かす

システム構造 構造的限界の克服
光の極限性能を生かす

メカニズム 極限性能の利活用
光の極限性能を生かす

サブストレート

潜在能力の開拓

多数エージェント協調などの高次機能へ

研究柱A
連携

研究柱B
連携

研究柱C
連携

B03成瀬（東京大）

光の本来のポテンシャル
・広帯域光信号のアナログ処理（300GHz動作超高周波エレクトロニクス）C02笠松（NICT）
・瞬時情報処理（B5GにおけるNOMA他）
B03成瀬（東京大）A02川上（九州大）

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C01砂田（金沢大）A01鯉渕（NII）

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本領域研究全体のコンセプト・方向性

光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティング

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計画研究・研究代表者の概略
領域代表

総括班

B03 成瀬 誠

東京大学・教授

光の極限性能×コンピューティング

光システム情報学に関する研究に一貫して従事．光インターコネクト、近接場光、量子光学、レーザー
カオスなど多彩な光科学を光システムに展開．JST CREST「ナノ光学と光カオスを用いた超高速意思決定メカニズムの創成」、基盤研究Ａ「ナノ光学とレーザーカオスを用いた超高集積・超高速意思決定の創製」、基盤研究Ａ「光の極限性能を生かすAIフォトニクス高次機能の創成」、JSTさきがけ等研究代
表者を歴任．2017年フランス・グルノーブルアルプス大学招聘教授．ドコモ・モバイル・サイエンス賞 、横幹連合木村賞、応用物理学会光学論文賞、先端技術大賞等

研究柱A システム構造
A01

構造的限界の克服

鯉渕 道紘 国立情報学研究所・教授

研究柱B メカニズム
B01

大規模計算機システムの結合網と計算機システムアーキテクチャに関する研究に一貫して従事．近似コンピューティングと光の関連を世界に先駆けて研究．JSTさきがけ等研究代表者を歴任．平成25年度文部科学大臣表彰若手科学者賞、令和2年度日本学士院学術奨励賞、同日本学術振興会賞受賞

川上哲志 九州大学・准教授
Bosch Corporationハードウェアエンジニアを経てアカデミアへ．物理系（光・超電導）を活用したコンピューティングにおいて、コンピュータ科学に基づく独自の徹底したシステム視点によるシステムモデリン
グ、性能評価、最適システム設計が世界の注目．JSTさきがけ等研究代表者を歴任

光×電子系の最適結合

内田淳史 埼玉大学・教授

研究柱C サブストレート
C01

川西哲也 早稲田大学・教授

砂田哲 金沢大学・教授

光多重化×コンピューティング

複雑系フォトニクス

B02

潜在能力の開拓

力学系理論・集積光技術・コンピューティ
ング応用に基づいた独自の光デバイス研究を展開．光ニューラルフィールドと呼ばれる光の多重性を生かした新デバイス構造を創成．JSTさきがけ等研究代表者を歴任

複雑系科学と光科学の学際研究に一貫して従事．
特にレーザー物理の高速ダイナミクスを情報の観点から捉えた「複雑系フォトニクス」を創成．
その知見を基盤とし、高速物理乱数生成、相関
乱数暗号鍵配送、光秘密通信、光リザーバーコ
ンピューティング、光意思決定などの研究に従事

近似コンピューティング × 光
A02

極限性能の利活用

C02

高速光変調、光伝送、光無線融合システムに関する研究に一貫して従事．マレーシア工科大学客員教授．光変調の基礎理論及びデバイス基盤を切り拓くとともに、通信のみならず、天文・セキュリティ・計測等の多様な応用開拓を実現

極限変調 × 光

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笠松章史 情報通信研究機構・センター長
超高周波電子デバイスの研究に一貫して従事するとともに、瞬時データバックアップ、超高速光処理などの応用システムとの関わりを研究． 100 GHz を超える超高速領域で動作するシリコンアナログ回路技術を創成．電波功
績賞電波産業会代表理事表彰、前島密賞等受
賞

光の極限性能×エレクトロニクス
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計画研究の全体構成
波及効果

領域全体として
学術変革研究を遂行

先駆的研究業績・
連携実績

学術変革領域研究（A）光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成 https://www.photoniccomputing.jp11研究項目間・計画研究間の有機的連携の全体像、研究成果の出口イメージ

光による大容量計算

光による計算加速

光による瞬時処理

光による低遅延処理

光の複雑性・量子性

光の物理界面能力

クラウド・データセンター

AI・機械学習・
最適化

ネットワーク，Beyond 5G/6G

テレオペレーション

乱数生成，セキュリティ

サイバー・フィジカル・
システム, 計測学術変革領域研究（A）光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成 https://www.photoniccomputing.jp

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世界におけるフォトニックコンピューティングの最近の例－多様なアプローチ－◆光アクセラレータ
行列ベクトル演算
ニューラルネット

フォトニクス◆アーキテクチャ

IEEE Design&Test 2020 (Colorado State Univ.)
A Survey of Silicon Photonics for EnergyEfficient Manycore Computing

Nature 2021

情報学

■コヒーレンス利用型●光集積回路●シリコンフォトニクスNature Photonics 2017 (MIT 他)
Deep learning with coherent nanophotonic circuits■波長多重性利用型●光集積回路●シリコンフォトニクス

IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst. 2018 (Texas A&M Univ.他)
BiGNoC: Accelerating Big Data Computing with Application-Specific Photonic
Network-on-Chip Architectures◆光を用いたコンピューティングメカニズムの基礎研究■レーザー物理と解探索

Nature Electronics 2022 (Princeton 他)
A silicon photonic-electronic neural network for fibre nonlinearity compensation■空間並列性利用型●空間光変調技術●微細加工技術

Science Advances 2019 (Weizmann Inst. Sci.)
Rapid laser solver for the phase retrieval problem■光の量子性と強化学習

物理学
Science 2018 (UCLA 他)
All-optical machine learning using diffractive deep neural networks

Physical Review B 2019 (Univ. Cambridge他)
Polaritonic network as a paradigm for dynamics
of coupled oscillators

New J. Physics 2020 (Univ. Innsbruck)
Photonic architecture for reinforcement learning

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https://www.photoniccomputing.jp

光は、情報通信社会を支える不可欠な基盤となっていますが、通信や計測だけでなく、コンピューティングにまでその役割が期待されています。情報通信の物量の爆発的な拡大やAIに見られるコンピューティング需要の急増と高度化、グリーント
ランスフォーメーションに見られる環境性能の潮流などがあり、新たな物理系を活用するコンピューティングが活発に研究され、そのなかで、光とコンピューティン
グの関わり－フォトニックコンピューティング－が改めて探求されています。光科
学や光技術そのものが長足の進化を遂げ、他方で、情報科学も飛躍的進化を遂げ、その交差点に、大きな可能性が生じているとも言えます。
本研究領域では、光とフォトニクスの極限性能という視点から、光とコンピュー
ティングの新たな学術を創成します。今、フォトニックコンピューティングの最前線は、極めてダイナミックに進展しています。AIやBeyond 5Gに見られる応用との強い繋がりを持った光アクセラレーターの研究が発展する一方で、光の多様な特徴ある性質を、情報処理と結節する新たな基礎研究が次々に現れています。このような先端研究の多様性を高いレベルで実現すると同時に、「光とコンピューティン
グ」という研究領域として、領域全体が一丸となった一体性を、本研究領域は追求したいと思います。

本研究領域が基軸とするコンセプトは光の極限性能－Ultimate Nature ofLight－です。ここには、①光の限界性能（Physical Limit）のコンピュー
ティングへの活用、②未踏の潜在能力（Potential Capability）の開拓、③光の利活用を阻む構造的限界（Architectural Limit）の克服という３個の意
味がありますが、これは、我が国における光とコンピューティングの研究において培われてきた、メカニズム・デバイス・アーキテクチャの具体的な研究の先導性を生かすとともに、公募研究を含め、研究の一層の拡大と充実を目指したコンセプト
でもあります。

このような研究の推進には、フォトニックコンピューティング研究において、既存の研究にとらわれず、新たな視点・着想・技術を開拓し、異分野連携を促進する
必要があります。実際、フォトニックコンピューティングという分野は、物理・数
理・デバイス・材料・メカニズム・アーキテクチャ・アルゴリズム・アプリケー
ションなどの広範な階層の視点の融合によって拓かれてきた領域と言えます。研究者間の連携に特に力を入れて研究を進めていく予定です。
光コンピューティングの研究は、1980年代前後に極めて活発に行われましたが、当時の研究は、その後急速に衰退したと評されることがありました。しかし、現実には、現在の最先端の研究において、1980年代の研究の考え方や着想は、40年の時を超え、数多く引用されるようになり、むしろ今日において当時の研究の再発見・再評価に至っていると個人的には考えています。先人の努力なくして、今日の発展は有り得ないように思われます。このことは、現在のフォトニックコンピューティ
ングの研究においても、光の極限性能という可能性を、この時代において新たに徹底的に追求することの重要性を非常に強く示唆しているように思います。
本領域研究の発展には、計画研究、公募研究に参加いただく多様な研究者の協力が不可欠です。特に、公募研究に理学・工学・情報学などの様々な分野の研究者が参加し、「光とコンピューティング」、「光と情報」という学術分野が、本邦において広く発展し共有されることを期待しています。また、オープンセミナーやスクールなどのアウトリーチ活動や、諸外国の先端研究者を巻き込んだシンポジウムなども計画していく予定です。本研究領域の発展へのお力添えをどうかよろしくお願いいたします。

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光・フォトニクス → 情報学・コンピューティング

情報学・コンピューティング → 光・フォトニクス

光 × コンピューティング学術変革
本学術変革領域研究（Ａ）：本邦における学際領域の開拓・発展、人材交流の契機に
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公募研究説明会
１．本研究領域の説明
２．公募研究について
３．補足資料：計画研究の概要
４．補足資料：領域の今後の活動予定
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公募情報
公募要領
https://www.mext.go.jp/content/20220726mxt_gakjokik-000024213_01.pdfのp. 50（PDFファイルの60ページ目）

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17本スライド前半（１．本研究領域の説明）の要約
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次ページより補足説明
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②公募する内容、公募研究への期待等
第１段落
公募研究は、研究領域が掲げる研究の基本コンセプト―光の極限性能を生かすフォトニックコンピュー
ティング―に適合する、独創的・先駆的な研究を、研究柱A, B, C の全てを対象に募集する。フォトニクス
とコンピューティングの融合領域は、光による行列ベクトル演算のスタートアップが創業されるなど急進
展し、次世代情報処理基盤への貢献を見据え、新たな学術の創成が問われる重要な変革期にある。公募研
究の役割は、このような学術変革期において、フォトニックコンピューティングの学術基盤及び応用展開を強化し、拡大・深化させることにある。

補足説明 独創性・先駆性
 研究領域の基本コンセプトとの対応
 公募研究の役割：フォトニックコンピューティングの学術基盤及び応用展開を強化し、拡大・深化させること

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②公募する内容、公募研究への期待等（続）第２段落
ただし、公募研究の期間及び研究費は限られている。したがって、光とコンピューティングが関与する研究であって、独創性・先駆性を際だった形で捉えた研究提案が求められる。そのため、コンピュータ科学・応用シス
テム・数理科学等に基礎を置く研究柱A、情報物理・情報光学・量子科学・非線形科学等に基礎を置く研究柱B、
光デバイス・電子デバイス・材料科学等に基礎を置く研究柱Cのいずれかに焦点を合わせ、光やシステムの「構造的限界(研究柱A)」、「極限性能(研究柱B)」、「未開の極限(研究柱C)」という本研究領域の着眼点を参照しな
がら、光の特徴をハイライトした、特徴ある研究提案が強く期待される。また、本研究領域は、次世代情報処理
基盤への貢献を見据え、基礎研究に関しても、将来の応用への橋渡しに関する一定の考察を必須とする。これは、橋渡し研究を研究開発項目に含めることを必須とするという意味ではなく、応用への関わりや、他研究との繋がりに関わる考察を提案に含めるという意味である。
補足説明

 本研究領域の着眼点を参照した、特徴ある提案（独創性・先駆性）
 研究柱A、研究柱B、研究柱Cのいずれかに焦点を合わせた提案• 研究柱A： 構造的限界の克服• 研究柱B： 極限性能の利活用（主としてコンピュータ科学・応用システム・数理科学等に基礎）（主として情報物理・情報光学・量子科学・非線形科学等に基礎）• 研究柱C： 未開の潜在能力の開拓 （主として光デバイス・電子デバイス・材料科学等に基礎） 将来の応用への橋渡しに関する一定の考察を必須とする。（応用開発研究を研究内容として必須とするものではない。応用への関わりや他研究との繋がりに関する考察を提案に含めるという意味）
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②公募する内容、公募研究への期待等（続）第３段落
また、本研究領域は、光科学、情報科学、コンピュータ科学、電気電子工学、通信工学、数理科学、材料工学
を初めとした理工学・情報科学の幅広い分野は勿論のこと、応用・ユースケース検討に関しては、従来のコン
ピューティング・情報通信技術の範疇を超えるような広い応用可能性がある。本研究領域が関わる多様な学術領域との連携を発展させ、若手研究者を含め、研究者ネットワークを強化発展させることも公募研究の重要な役割
である。
補足説明

 幅広い分野からの応募を期待（理学、工学、情報学などの幅広い分野）
 研究者ネットワークの強化発展
・領域会議（年２回（予定））、領域シンポジウムなどのイベントに参加・議論
・領域内研究連携の推進。人的ネットワークの充実

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公募研究説明会
１．本研究領域の説明
２．公募研究について
３．補足資料：計画研究の概要
４．補足資料：領域の今後の活動予定
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計画研究の要点と位置づけ（１）【研究柱A】光の極限性能を引き出すシステム構造
領域での役割・位置づけ・達成目標

背景・経緯• 不完全性を積極的に容認する Approximate Computing（近似コンピューティング）の概念をフォトニックコンピューティングに対して世界に先駆けて適応• 全体の機能達成を踏まえた上で、光系と電気系のタスク分解を実現

計画研究Ａ01 研究代表者 鯉渕道紘（NII・教授）「極限光技術を生かすフォトニック近似コンピューティング」• 光の多値表現能力（光変調の極限性能）を生かすフォトニック近似コンピュー
ティング（AC)の創成（世界初）：研究柱B, Cの重大な基盤• 一般には多値化は高い信号ノイズ比が必須．フォトニックコンピューティングにおける①許容エラーを踏まえた通信原理、②不完全性を容認する計算原理、③ア
ルゴリズムを創成: 研究柱B, Cの重大な基盤

計画研究Ａ02 研究代表者 川上哲志（九州大・准教授）「光基盤と応用の最適結合を実現するシステム構造研究」
計算原理/アプリケーション
専用言語

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性能・電力
精度

#Opti
高負荷処理

実行可能ファイル

NNカーネル
高負荷処理
NN近似

#NNA

NN
カーネル

非NN近似

協調設計

• 光の波長多重能力（光多重化の極限性能）はフォトニックコンピューティングの要諦: C01との強い連携による実証研究の推進• しかし、光だけではシステム全体としての革新は望めない: 情報の記憶（メモリ）課題⇒シ
ステム全体を踏まえた上で光系と電気系のタ
スク分解論を確立（世界初）: 研究柱B、Cの重大な基盤• さらに、アプリケーションレベルから見た光の有用性最大化が不可欠⇒ソフトウエア基盤の開発（世界初）: 研究柱B、Cの重大な基盤性能評価 アノテーション

アーキレベルへ
フィードバック

先駆性・独創性・創造性• 光の極限性能の発現にシステムレベルで貢献すると同時に、AI等の具体的応用の要請と先端実現技術の制約を踏まえたシステムアーキテクチャを明らかにする• 極限光技術を生かすフォトニック近似コンピューティングの創成: 近似コンピューティ
ングとフォトニックコンピューティングの融合を世界に先駆け実現し、光の極限性能を生かすアーキテクチャを明らかにする（A01）• 光基盤と応用の最適結合を実現するシステム構造研究: 光の極限性能・フォトニクスの• 物理限界・AI等の応用を総合したフレームワークを構築し、その上で、光と周辺系の最適なタスク分解論を世界に先駆けて明らかにする（A02）• 研究柱B、研究柱Cのメカニズム・デバイスの各課題と近似コンピューティング及びタ
スク分解の融合を実現．特に、超高周波エレクトロニクスにおける高速性の活用及び不完全性の最適な活用に貢献

デバイス・回路レベルへフィードバック• 光の極限性能を引き出すアーキテクチャの重要性: デバイス技術の発展のみではコンピューティングの発展は困難．システム構造自身が革新の要諦となる研究の系譜（GPU、仮想化技術、ビジョンチップなど）• 光の極限性能領域では一般にデバイスの非線形性・不完全性は不可避（例：超高周波エレクトロニクス）光の極限性能を引き出すシステムレイヤ技術の重大性

光計算機システム・アーキテクチャ

メモリ

オフロード

光演算機制御ユニット
光演算機

…

光演算機

CPU

（電気）

光技術を活用したデバイス回路

光演算エンジン

光源

演算回路

受光器

図2 光計算機システムの統合評価環境

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計画研究の要点と位置づけ（２）【研究柱B】光の極限性能に基づくコンピューティングメカニズム領域での役割・位置づけ・達成目標

背景・経緯• 従来の光コンピューティング: 限定的な処理構造に関心が偏り．光の極限性能は広範な機能が本来可能．我が国初の光を用いた高次機能の研究に世界が注目• システムレイヤ(研究柱A）、デバイスレイヤ（研究柱C）との合成系構築は重要
課題•

先駆性・独創性・創造性• 今後のフォトニックコンピューティングの基盤となる原理の創成• 光の極限性能（光変調、量子性等）をコンピューティングに接続する発想と実証力• 複雑系フォトニクス、極限光変調、光強化学習: 世界に先駆けた独創性・創造性

計画研究B01 内田淳史（埼玉大・教授）「複雑系フォトニクスによるフォトニッ
クコンピューティングの変革」• レーザーの高速・複雑ダイナミクスを活用したリザーバーコンピューティングを、従来の予測機能に留まらず転移・類推・生成などの新たなコンピューティングに展開• 研究柱Aと連携し、近似コンピュー
ティングとリザー
バーコンピュー
ティングの融合を世界に先駆けて開拓B01内田班(本計画班)

研究柱A
システム構造A01 鯉渕班
近似コンピュー
ティング
A02 川上班
光演算
システム

知見提供

研究柱C
デバイス基盤

光リザーバー
コンピューティング

実装依頼

複雑系フォトニクス

共同開発（実績あり）

知見提供
物理深層学習C02 笠松班
超高周波回路•光の多値表現能力、量子性を活用する新たなコンピューティングメ
カニズムを開拓．具体的には、光行列ベクトル演算がスタートアップ起業に至った近年の進展（競争領域のシフト）を踏まえ、光リ
ザーバーコンピューティング(B01)、光変調のコンピューティング
への展開(B02)、光意思決定(B03)などの高次光機能を世界に先駆けて切り拓く
領域連携を先導する役割: ①研究柱Aに対して、光系の処理基盤を提供、②研究柱Cのデバイス基盤の直接的応用(一体となった連携推進)、③領域全体の連携の象徴となる合成系の構築

計画研究B02 川西哲也（早稲田大・教授） 計画研究B03 成瀬誠（東京大・教授）「極限光変調によるフォトニックコン「光の極限性能による強化学習の変革とピューティングの変革」
応用開拓」• 基幹光通信網に見られる多値光変調は、光の通信能力の極限のみならず、コンピューティングに大きなインパクト．光の広帯域性の極限を生かしたコン
ピューティングを世界に先駆け切り拓く• A01, A02, C01, B03の実現のための光変調デバイ
ス・光変調技術の基盤を提供• 動的不確実環境での意思決定などの高次光機能を世界に先駆け開拓．研究柱A、B、Cと強く連携し、デバイスからシステムを繋ぐ融合研究を具体的に実現• 光の高速性 や量子 性 を活用したフ ォトニ ックコン
ピューティングを確立．また、動的不確実性が不可避な Beyond 5Gなどの応用展開を具体的に実証

C01 砂田班
動的深層学習

光強化学習

開発機器提供
研究柱B
B02 川西班
メカニズム
高速光変調器解明

共同開発（実績あり）
B03 成瀬班
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計画研究の要点と位置づけ（３）【研究柱C】光の極限性能を引き出す新たなデバイス基盤
領域での役割・位置づけ・達成目標

背景・経緯• 集積フォトニクスに立脚した光行列ベクトル演算の研究が盛んだが、波長多重等の未活用、電気系との接続のボトルネックなどの重要課題が未解決• 300 GHz を超えるシリコン高周波エレクトロニクスが登場．しかし、超高速領域
での非線形性は不可避・デジタル計算は不可能等の制約⇒光系との調和の重大性••

先駆性・独創性・創造性• 波長多重を生かすフォトニックコンピューティングの新たなデバイスアーキテク
チャと機能創造（「光ニューラルフィールド」 ）• 超高周波エレクトロニクスとフォトニクスの接合．新時代の光電融合を先導

計画研究C01 研究代表者 砂田哲（金沢大・教授 ）「光多重化によるフォトニックコンピューティングデバイスの変革」
光ニューラルフィールド

計画研究C02 研究代表者 笠松章史（NICT・センター長）「超高速シリコンアナログ回路と超高速光回路の融合」• 光系と電気系のボトルネックのない連動は、光の極限性能を生かすコン
ピューティングに不可欠．独自の超高速アナログ回路技術（300GHz動作シ
リコン回路（世界初）、光カオス信号の閾値回路他）の革新的展開• 非線形性などの動作特性を、研究柱Aの近似コンピューティングや研究柱Bの光メカニズムと連動させ、積極活用に展開…

• 光制御と光通信で培われた光多重化原理（空間多重化・波長多重化）を発展させ、光の極限性能を生かすニューラル光回路を実現• 最適制御理論と融合し、多大なオフライン学習が不可欠だった従来の光コンピューティングの限界を打破• 物理系との直接インターフェース能力を生かし、超高速現象の超高速認識技術へ• 研究柱A、Bの実証のためのデバイス基盤を提供•

光の著しい特長である多重性の極限を活用するデバイスアーキテク
チャを解明．研究柱A、Bと連携し具体的な光機能を実証（C01）
光系と電子系のボトルネックの解消という積年の大課題の解決に向け、数 10 GHz以上で動作するシリコン高周波エレクトロニクスとフォトニクスの融合を実現．ミリ波帯で実績を積み上げてきた高速
アナログ回路の学術を発展させると同時に、超高速域で不可避の非線形性を研究柱Aの近似コンピューティングと融合し、活用・解決
単なるデバイス研究ではなく、研究柱A(システム) 研究柱B(メカニズム)と強力に連携し”光の極限性能”を強く指向したサブストレート

多モード導波路

“one”

光検出器

等価な光ニューラルネット

”1”
”2”
”3”
微小領域内に高密度な光ニューラルネットを形成

仮想・光ニューロン
光線ネットワーク

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計画研究間の有機的連携 具体例その1

計画研究の参考情報

領域の有機的連携が創出する学術変革の具体例①
光の極限性能を引き出すフォトニック近似コンピューティングの実現
光の広帯域性の極限領域ではデバイスの非線
形性が不可避300 GHz 動作
シリコン
集積回路技術計画研究A01, A02

アプリケーションレベルでの精度計画研究C02

個別演算の精度を大幅に低減させても、
アプリケーションレベルの精度はほぼ維持される！


近似コンピューティングにより、不完全性を積極的に許容し、光の極限性能を引き出す

世界初(C02笠松)

物理層の不完全性を積極的に受容し、光の極限性能を引き出す「フォトニック近似コンピューティング」という具体的かつ強力な学術の創出【領域全体が実現する
学術変革の具体例①】
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低


高

精度: 低

個別演算の精度

光演算システムの性能分析
IWOO2019招待講演

∞

精度: 高

川上(A02)

より具体的には・・・
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領域の有機的連携が創出する学術変革の具体例①（続）計画研究C02より具体的には光の極限性能を生かす

光の極限性能を生かす
システムアーキテクチャ

サブストレート

高速光カオス信号の閾値処理のための高周波動作
シリコンアナログ回路を実証（世界初）

台湾TSMCファウンドリサービスにて試作

JST CRESTプロジェクト

計画研究B03

しかし、高速領域の非線形性
は不可避「完全な動作」は困難！

本研究
フォトニック近似コンピューティング

光本来の高速性が生かされない！

チップ面積
1.0×1.0 mm

基本動作を確認（世界初）計画研究A01, A02

従来―光を用いた強化学習等の基盤―

消費電力
248 mW

計画研究の参考情報

厳密計算の

「性能」

光と電子系
の不調和

動作速度

「性能」

「近似」
という 厳密新機軸
不完全
許容

光の高速性を引き出す！

動作速度

機械学習など全体システムの要件を踏まえ、近似コンピュー
ティングにより革新．光の高速性の極限性能を引き出す■関連研究の先導
Ichikawa(C02分担者明治大関根G院生),
Sekine (C02分担者), Kasamatsu (C02代表者),
Hara (C02分担者), Naruse (領域代表, B03代
表者)他. アナログVLSIの先端国際会議

International Conference on Analog
VLSI Circuit (AVIC) 2021
Best Paper Award 受賞

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計画研究間の有機的連携 具体例その2

計画研究の参考情報

領域の有機的連携が創出する学術変革の具体例②（全研究柱 研究柱A 研究柱B 研究柱C の連携）
光の多重性の極限性能を生かしたリザーバーコンピューティングによる大容量計算
リザーバーコンピューティング■ 物理系を生かすコンピューティングとして注目

しかし、■【光の限定的側面】単一波長・単一光ファイバを基礎■【限定的応用】時系列予測
学術変革「光の極限性能を生かす」
波長多重、空間多重

本領域全体の連携による学術変革コンピューティング能力の飛躍的拡大
・集積性能 104倍改善
・エネルギー利用効率 100倍以上改善
・アプリケーションの拡大：
認識・意思決定・強化学習他

計画研究B

光リザーバーコン
ピューティングの光多重化メカニズム構築と応用の飛躍的拡大

計画研究C

光波長多重・空間多重の極限性能を生かすデ
バイス構築

計画研究A

光の多重性の極限性能を生
かす光と電気のタスク分解とシステムレイヤ実現

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具体的には・・・
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領域の有機的連携が創出する学術変革の具体例②（続）従来の光リザーバーコンピューティ
ングの典型的構造■単一波長・単一光ファイバを基礎■限られた応用：時系列予測
リザーバー
レーザー

Σ

時間遅延
フィードバック

計画研究C

より具体的には光の極限性能を生かす

サブストレート

Optica 2021

（Optica誌 Top 10選出）■応用範囲を時系列予測に限られない領域へ革新的に拡大（B03成瀬）

計画研究A
…
波長
分配

研究計画調書B01【領域全体の協働】
光の多重性の極限性能を生かしたリザーバーコン
ピューティングによる大容量計算の基盤技術

光の極限性能を生かす
システム構造■光多重化の強みを引き出す
アーキテクチャ（A01鯉渕）…

■プログラム・アプリケー
ションレベルまで含めた光・システム協調設計の効果の明
確な見える化（A02川上）学術変革領域研究（A）光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成 https://www.photoniccomputing.jp

協調設計

…

…

𝜆𝜆M

■新概念「光ニューラルフィールド」を確立(B01内田)■光多重化の極限性能に対応したエレクトロニク
ス側の要件分析と基盤構
築（C02笠松）【本研究のアプローチ】
光の極限性能を生かす⇒
波長多重、空間多重

位相変調

メカニズム

研究計画調書C01

学術変革

微小共振器構造の光リザーバー層

計画研究B 光の極限性能を生かす■光変調の極限性能をコンピュー
ティングに拡大（B02川西）■光の波長多重・空間
多重の極限性能を引き出す光デバイス（C01砂田）

光ファイバ

𝜆𝜆1
𝜆𝜆2

計画研究の参考情報【第3の軸への発展】
本研究のスコープは積和演
算に限られない！
⇒
不確実環境下での意思決定、Beyond 5G応用など
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公募研究説明会
１．本研究領域の説明
２．公募研究について
３．補足資料：計画研究の概要
４．補足資料：領域の今後の活動予定
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学術変革領域研究（A） 光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成

領域の今後のイベント

第1回 シンポジウム
日程：2023年3月27日（月）場所：東京大学伊藤国際学術研究センター 伊藤謝恩ホール＋オンライン■領域の研究紹介

成瀬（東大）、鯉渕（NII）、内田（埼玉大）、砂田（金沢大）■招待講演セッション：フォトニックコンピューティングのこれまでとこれから
北山 研一（光産業創成大・阪大）
武田 光夫（宇都宮大・電通大）
天野 英晴（慶應義塾大）
納富 雅也（NTT・東工大）

新時代に向けた光と情報の結節
光コンピューティングの過去・現在・未来
コンピュータアーキテクチャから見た光への期待
情報基盤としての光情報処理■ダイアローグ：フォトニックコンピューティングへのアプローチ－現在地とこれから－北山、武田 、天野、川西（早大）、川上（九大）、笠松（NICT）、成瀬（モデレータ）
参加申し込み方法等詳細は追って領域ＷＥＢサイトにてご案内いたします。
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領域の今後のイベント（続）学術変革領域研究（A） 光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成

オープンセミナー
2023年4月開講
毎月原則月末金曜日. 17時開始
2023年4月21日（金） 鯉渕 道紘（NII）
2023年5月26日（金） 内田淳史（埼玉大）
以下、継続開催予定

参加申し込み方法等詳細は追って領域ＷＥＢサイトにてご案内いたします。
日程や講師は都合により変更となる可能性があります。

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領域の今後のイベント（続）学術変革領域研究（A） 光の極限性能を生かすフォトニックコンピューティングの創成「光と情報スクール」 2023年開講【概要】
 講義：大学学部生、大学院生（M・D)、若手研究者、企業等の研究者・技術者等を対象とした各分野の入門的内容のレクチャー。研究の基盤となっている内容のレクチャー。
 集中ゼミ：先端的研究の概要のレビュー【目的】
 研究の前提知識の学修・速習 先端研究領域の概観
 分野融合の促進を見据え、各分野の考え方や基礎を学ぶ
 領域内外の研究者・学生間の育成。人材の交流の場の構築
 本研究分野・研究領域への参加の契機の一つ【開催形式】
 「講義」と「集中ゼミ」。各回テーマを決めて講師を選定
 講義時間：９０分×２コマ（講義）、９０分×１コマ（集中ゼミ）■ オンライン開催

参加申し込み方法等詳細は追って領域ＷＥＢサイトにてご案内いたします。
日程や講師は都合により変更となる可能性があります。

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第１回 「光と情報スクール」【講義】
近似コンピューティングの基礎（鯉渕（NII））
リザバーコンピューティングの基礎（菅野（埼玉大））
光ニューラルネットワークの基礎（砂田（金沢大））【集中ゼミ】
光の量子性と意思決定（成瀬（東大））
光変調の最前線（川西（早大））

領域の今後のイベント（続）2023年7月31日（月）9:00-10:30【講義】近似コンピューティングの基礎１（鯉渕）

2023年8月1日（火）10:45-12:15【講義】リザバーコンピューティングの基礎1（菅野）【講義】リザバーコンピューティングの基礎2（菅野）

13:30-15:00【講義】光ニューラルネットワークの基礎1(砂田）【講義】光ニューラルネットワークの基礎２（砂田）

15:15-16:45【集中ゼミ】光変調の最前線（川西）【集中ゼミ】光の量子性と意思決定（成瀬）

談話会・交流会

談話会・交流会・閉会式【講義】近似コンピューティングの基礎2（鯉渕）

日程や講師は都合により変更となる可能性があります。
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■2024年度は国際シンポジウムを計画中です。
■領域全体の関係者が集う「領域会議」を年に２回開催します。
■また、現在、研究領域内では、情報系と光系の研究者の相互理解と連携研究の促進のため「ＡＲＣ×光研究打ち合わせ」を定期開催しています。

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