To Believe or Not to Believe？DeepMind新研究一眼看穿LLM幻覺
大語言模型產生幻覺、胡說八道的問題被詬病，已經不是一天兩天了。
前有ChatGPT編造法律案件，后有谷歌搜索建議披薩放膠水。
就連號稱模型更安全、幻覺更少的Claude系列，在Reddit上也能看到不少吐槽。
LLM輸出虛假信息的問題，似乎并不能在短時間內徹底解決。
這就給很多場景下的應用帶來了巨大的障礙，尤其是法律、醫療、學術這樣比較嚴謹的知識領域。如果答案有錯，還不如不用。
那么能不能有一種方法，至少為LLM的輸出劃定一個置信區間呢？
6月5日，DeepMind發表了一篇名為「To Believe or Not to Believe Your LLM」，就開始著手解決這個問題。
如果無法強迫LLM堅持輸出真實信息，知道它什么時候在胡說八道也很重要。
論文地址：https://arxiv.org/abs/2406.02543
這篇論文由DeepMind Foundations團隊出品，帶頭人是加拿大阿爾伯塔大學教授Csaba Szepesvari，他也是這篇論文的作者之一。
論文探討了大語言模型中的不確定性量化問題，也就是說，旨在確定LLM的響應何時會出現較高的不確定性。
不確定性分為兩個范疇，一個是認知不確定性（epistemic uncertainty），另一個是偶然不確定性（aleatoric uncertainty）。
前者是指對基本事實的不了解，比如，不清楚事實或者語言不通所造成的不確定性，可能來源于訓練數據量或者模型容量不足。
后者則是一種不可約的隨機性，比如同一個問題存在多種可能的答案。
LLM的工作本質是對文本的概率分布進行建模，因此會很自然地通過統計不確定性的視角看待問題的真實性。
以前的許多工作通過啟發式的方法計算LLM回答的對數似然性，但這一般只適用于偶然不確定性較低的情況，也就是有「標準答案」的問題。
對于有多個正確答案的問題，需要將認知不確定性和偶然不確定性解耦。
因此，團隊推導出了一種信息論度量（information-theoretic metric）方法，能可靠地檢測出認知不確定性占多數的情況，這時我們就可以說，模型的輸出沒有那么可靠，Not to Believe！
這種方法根據什么來計算？
其實，可以完全基于模型的輸出來考察，只需根據之前的回答進行一些特殊的迭代prompting即可。
有了這個量化方法，無論是面對有單一答案的問題，還是有多個可能答案的問題，都可以檢測出回答中的幻覺，也就是認知不確定性很高的情況。
這和此前的不確定性量化策略相比，形成了鮮明對比，因為之前的方法都不能檢測出多答案情況下的幻覺。
DeepMind Foundations團隊進行了一系列實驗，證明了他們方法的優勢。
此外，研究還揭示了如何通過迭代prompting放大LLM指定給定輸出的概率，這可能會引起人們的興趣。
方法概述
首先，我們需要形成這樣一個共識：
如果從基本事實（語言）中獲得對同一查詢的多個回復，那么它們應該是相互獨立的。
也就是說，在概率論解釋中，對于一個固定的查詢，這些多個回復的聯合分布必須是一個乘積分布。
基于這一點，我們就可以將其用于衡量LLM的輸出與基本事實之間的距離。
由語言模型實現的序列模型允許我們構建多個響應的聯合分布，基于LLM先前的響應和概率鏈規則，對LLM進行迭代prompting。
具體來說，先給定查詢要求模型提供一個響應，然后將查詢和相應輸入給LLM，要求提供另一個響應，然后給定查詢和前兩個響應提供第三個響應，依此類推。
關鍵思路是，在對LLM進行迭代prompting的過程中，激發模型重復潛在回答，可以觀察到不同的行為模式，反映不同程度的認知不確定性。。
如果模型對某個查詢的認知不確定性較低，那么在prompting中重復一個不正確的回答不會顯著增加其概率。
但是，如果認知不確定性較高，重復一個不正確的回答就會大大增加其概率。
下面是這一過程的prompt模板：
不斷誘導LLM
下面的例子可以更好地解釋這一過程——
給定問題：「英國的首都是什么？」通過在提示中重復錯誤答案（如巴黎），正確答案倫敦仍然保持很高的概率。
這意味著該模型的答案是確定的，它的認知不確定性較低。
相反，如果答案的概率發生了變化，那么模型就具有高度的認識不確定性。
如上圖最左邊的示例所示，當我們將錯誤回答的重復次數增加到100次的時候，正確回答「倫敦 」的條件歸一化概率從100%下降到大約 96%。
在這些示例中，最初對查詢的回答的認識不確定性較低，即使在錯誤信息重復出現的情況下，正確回答的概率仍然很大。
可是當面對更有挑戰性的問題時，模型就不那么容易「堅持己見 」了。
比如，問LLM「愛爾蘭的民族樂器是什么？」，它回答「豎琴」和 「尤利安管 」的概率都很大（第一個答案是正確答案）。
這一次，通過多次在提示中加入錯誤的回答，正確答案的概率迅速下降到接近于零。
認知不確定性度量
在對LLM進行完上述觀察，研究者推導出了一種信息論度量方法。
通過測量模型的輸出分布對重復添加以前的（可能不正確的）提示回答的敏感程度，來量化認知不確定性。
更確切地說，如果LLM對之前的回復不敏感，模型就有了所需的獨立性，并且LLM得出的聯合分布可以任意接近基本事實。
如果正相反，上下文中的響應嚴重影響了模型的新響應，那么直觀地說，LLM對其參數中存儲的知識的置信度很低，因此LLM派生的聯合分布不可能接近基本事實。
這一觀察結果可用于區分高不確定性的兩種情況：一種是偶然不確定性高，另一種是認知不確定性高。
最后，利用這一指標，論文介紹了一種基于互信息分數的幻覺檢測算法M.I.。
通過應用鏈式規則，他們定義了多個響應的「偽聯合分布 」，同時將之前的響應納入提示。
這種偽聯合分布的互信息可作為認知不確定性的下限。互信息的估計值可用作得分，表示LLM對給定查詢產生幻覺的信念強度。
結果
論文在開放域問答基準上讓Gemini 1.0 Pro進行閉卷回答，對這種基于互信息（MI）的方法進行了評估，包括TriviaQA、AmbigQA以及基于WordNet創建的一個多標簽數據集。
實驗中共使用了3種基線方法作為對比：T0表示貪婪方法選擇的LLM回答，S.E.表示使用2023年提出的「語義熵」方法（semantic-entropy）選擇的前10個回答，S.V.表示2022年提出的「自我驗證」方法（self-verification）的一個版本。
對LLM的回答主要使用兩個方面衡量，一是準確率，二是召回率。
準確率表示查詢中正確決策的百分比，召回率則表示沒有棄權的查詢的百分比。
結果表明，與基線方法相比，該方法能有效檢測幻覺（認識不確定性較高的輸出），尤其是在處理包含單標簽和多標簽查詢的數據集時。
在TriviaQA和AmbigQA數據集上，論文提出的M.I.方法與S.E.方法基本表現相當，但明顯優于T0和S.V.。
而后兩個數據集包含大量的高熵、多標簽查詢，此時M.I.方法明顯優于S.E.方法。
將LLM輸出回答的熵進行分區后，分別查看兩種方法的召回率和錯誤率，可以更直觀地看到M.I.方法在高熵查詢中的優越性能，不僅很少犯錯誤，而且召回值更高。
這篇論文相對于考慮LLM整體不確定性的一階方法，將認知不確定性和任意不確定性分開考量，從而確定了LLM認知不確定性的可證明的下界。
此外，在認知不確定性視角下提出的基于互信息的棄權方法，能讓LLM在混合單標簽/多標簽查詢任務上取得更好的表現。
