Reservoir computing photonique et méthodes non-linéaires de représentation de signaux complexes : Application à la prédiction de séries temporelles

Complex signal embedding and photonic reservoir Computing in time series prediction

• Auteur / Autrice : Bicky Marquez Alfonzo
• Direction : Maxime Jacquot, Laurent Larger, Daniel Brunner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 27/03/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université ouverte de Franche-Comté
• Jury : Président / Présidente : Maria-Pilar Bernal-Artajona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxime Jacquot, Laurent Larger, Daniel Brunner, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Eckehard Schöll, Stéphane Barland, Laurent Daudet, Lyudmila Grigoryeva
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eckehard Schöll, Stéphane Barland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Nonlinéaire

Photonique

Neuromorphiques

Nonlinear

Photonic

Neuromorphic

Résumé

Les réseaux de neurones artificiels constituent des systèmes alternatifs pour effectuer des calculs complexes, ainsi que pour contribuer à l'étude des systèmes neuronaux biologiques. Ils sont capables de résoudre des problèmes complexes, tel que la prédiction de signaux chaotiques, avec des performances à l'état de l'art. Cependant, la compréhension du fonctionnement des réseaux de neurones dans la résolution de problèmes comme la prédiction reste vague ; l'analogie avec une boîte-noire est souvent employée. En combinant la théorie des systèmes dynamiques non linéaires avec celle de l'apprentissage automatique (Machine Learning), nous avons développé un nouveau concept décrivant à la fois le fonctionnement des réseaux neuronaux ainsi que les mécanismes à l'œuvre dans leurs capacités de prédiction. Grâce à ce concept, nous avons pu imaginer un processeur neuronal hybride composé d'un réseaux de neurones et d'une mémoire externe. Nous avons également identifié les mécanismes basés sur la synchronisation spatio-temporelle avec lesquels des réseaux neuronaux aléatoires récurrents peuvent effectivement fonctionner, au-delà de leurs états de point fixe habituellement utilisés. Cette synchronisation a entre autre pour effet de réduire l'impact de la dynamique régulière spontanée sur la performance du système. Enfin, nous avons construit physiquement un réseau récurrent à retard dans un montage électro-optique basé sur le système dynamique d'Ikeda. Celui-ci a dans un premier temps été étudié dans le contexte de la dynamique non-linéaire afin d'en explorer certaines propriétés, puis nous l'avons utilisé pour implémenter un processeur neuromorphique dédié à la prédiction de signaux chaotiques.

Artificial neural networks are systems prominently used in computation and investigations of biological neural systems. They provide state-of-the-art performance in challenging problems like the prediction of chaotic signals. Yet, the understanding of how neural networks actually solve problems like prediction remains vague; the black-box analogy is often employed. Merging nonlinear dynamical systems theory with machine learning, we develop a new concept which describes neural networks and prediction within the same framework. Taking profit of the obtained insight, we a-priori design a hybrid computer, which extends a neural network by an external memory. Furthermore, we identify mechanisms based on spatio-temporal synchronization with which random recurrent neural networks operated beyond their fixed point could reduce the negative impact of regular spontaneous dynamics on their computational performance. Finally, we build a recurrent delay network in an electro-optical setup inspired by the Ikeda system, which at first is investigated in a nonlinear dynamics framework. We then implement a neuromorphic processor dedicated to a prediction task.