Das Shibaura Institute of Technology, die Waseda University und Fujitsu haben eine Methode zur quantengestützten Steuerung komplexer Roboterhaltungen vorgestellt. Erste Tests zeigen deutliche Genauigkeitsgewinne und eine Verringerung des Rechenaufwands.
Die inverse Kinematik zählt zu den größten Herausforderungen in der Steuerung mehrgelenkiger Robotersysteme. Ein japanisches Forschungskonsortium hat nun einen hybriden Ansatz vorgestellt, der klassische Algorithmen mit quantenmechanischen Methoden kombiniert. Ziel ist es, hochkomplexe Bewegungsabläufe humanoider Roboter effizienter und präziser zu berechnen.
Die Berechnung der inversen Kinematik – also der Gelenkwinkel, die eine gewünschte Endposition des Roboters ermöglichen – verursacht bei Mehrgelenk-Systemen erhebliche Rechenlast. Während klassische Methoden oft auf vereinfachte Modelle mit rund sieben Gelenken beschränkt bleiben, verliert die Bewegung dabei an Natürlichkeit und Fluidität.
Die neue Methode setzt auf eine Qubit-basierte Darstellung der Gelenkpositionen und nutzt Quantenverschränkung, um die Abhängigkeit zwischen übergeordneten und nachgeordneten Gelenkbewegungen direkt abzubilden. Die Vorwärtskinematik erfolgt auf einem Quantensystem, während die inverse Berechnung klassisch ausgeführt wird.
Quelle: Fujitsu / Fsas
Tests auf Fujitsus Quantensimulator ergaben eine Fehlerreduktion von bis zu 43 Prozent bei gleichzeitig deutlich geringerem Rechenaufwand im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Auf einem gemeinsam von RIKEN und Fujitsu entwickelten 64-Qubit-Quantencomputer konnte zudem die Wirksamkeit der Quantenverschränkung bestätigt werden.
Für ein Ganzkörpermodell mit 17 Hauptgelenken wurden Bewegungsberechnungen in etwa 30 Minuten durchgeführt – ein Szenario, das bislang als kaum praktikabel galt.
Die Methode erlaubt es, die Haltung mehrgelenkiger Roboter mit einer vergleichsweise geringen Zahl von Qubits darzustellen. Damit lässt sich das Verfahren auch auf aktuelle NISQ-Systeme (Noisy Intermediate-Scale Quantum) anwenden. Künftige Einsatzfelder reichen von humanoiden Robotern in der Echtzeitsteuerung bis hin zu komplexen Manipulatoren, etwa für die Industrieautomation.
Zusätzliche Effizienzgewinne erwarten die Forschenden durch die Kombination mit etablierten Quantenalgorithmen wie der Quanten-Fourier-Transformation.
