Các nhà khoa học Nhật Bản phát triển “hệ thống điều khiển robot dựa trên máy tính lượng tử”

Các nhà khoa học Nhật Bản, hợp tác cùng Fujitsu, vừa công bố một phương pháp đột phá giúp điều khiển tư thế robot hiệu quả bằng công nghệ máy tính lượng tử.

Nhóm nghiên cứu gồm các chuyên gia từ Đại học Công nghệ Shibaura (PGS. Takuya Otani - Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hệ thống, Phòng thí nghiệm Hệ thống Robot Con người) và Đại học Waseda (GS. Atsuo Takanishi - Khoa Khoa học và Kỹ thuật).

Phương pháp mới này cho phép tính toán nhanh và chính xác “nghịch động học” - tức là tìm góc xoay của các khớp dựa trên vị trí mong muốn của bộ phận chấp hành cuối cho robot nhiều khớp, nhờ biểu diễn vị trí bằng qubit và tận dụng hiện tượng rối lượng tử.

Khi kiểm chứng trên trình mô phỏng lượng tử của Fujitsu, hệ thống mới giúp giảm tới 43% sai số và cần ít phép tính hơn so với phương pháp truyền thống. Hiệu quả của hiện tượng rối lượng tử cũng được xác nhận thông qua thử nghiệm trên máy tính lượng tử 64 qubit do Riken (viện nghiên cứu khoa học quốc gia Nhật Bản) và Fujitsu đồng phát triển.

Cụ thể, khi biểu diễn hướng và vị trí của từng “mắt xích” robot bằng qubit, và mô phỏng ảnh hưởng của chuyển động khớp cha lên khớp con thông qua rối lượng tử, số lượng phép tính cần thiết giảm đáng kể so với phương pháp cổ điển.

Với sự tiến bộ nhanh chóng của máy tính lượng tử, công nghệ này hứa hẹn sẽ đóng góp lớn vào việc tạo ra thế hệ robot mới có khả năng điều khiển thời gian thực và thực hiện các thao tác phức tạp.

Bước đột phá lượng tử trong tính toán tư thế robot phức tạp

Trong điều khiển tư thế robot, tính toán nghịch động học đóng vai trò then chốt. Với robot nhiều khớp, số lượng tổ hợp góc có thể xảy ra là cực lớn, đòi hỏi phải lặp đi lặp lại phép tính để giảm sai lệch so với vị trí mục tiêu - điều này tạo ra khối lượng tính toán rất nặng.

Với mô hình toàn thân gồm 17 khớp (tương đương số khớp ở cơ thể người), số phép tính cần thiết quá khổng lồ để giải trực tiếp. Thông thường, các nhà nghiên cứu chỉ mô phỏng khoảng 7 khớp để giảm tải, nhưng điều này lại giới hạn độ mượt của chuyển động.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã đề xuất một phương pháp mới kết hợp sức mạnh của máy tính lượng tử. Hướng và vị trí của từng bộ phận robot được biểu diễn bằng qubit, và động học thuận (tính vị trí từ góc khớp) được xử lý trên mạch lượng tử.

Tính toán nghịch động học vẫn được thực hiện trên máy tính cổ điển, tạo nên cách tiếp cận lai lượng tử cổ điển, giúp điều khiển tư thế robot hiệu quả hơn.

Rối lượng tử giúp tăng tốc và nâng độ chính xác

Nhờ đưa hiện tượng rối lượng tử vào mô phỏng, cấu trúc “khớp cha ảnh hưởng tự nhiên đến khớp con” được tái tạo trên mạch lượng tử.

Điều này giúp tăng tốc độ hội tụ và nâng độ chính xác của phép tính nghịch động học. Thử nghiệm còn cho thấy, các phép tính cho mô hình 17 khớp có thể hoàn tất trong khoảng 30 phút.

Ứng dụng tiềm năng cho robot hình người và robot đa khớp

Phương pháp này có thể mô tả tư thế robot nhiều khớp với ít qubit, nên hoàn toàn khả thi ngay cả trên các máy tính lượng tử quy mô trung bình hiện tại (NISQ).

Trong tương lai, công nghệ này có thể được ứng dụng vào điều khiển thời gian thực cho robot hình người, tay máy đa khớp, tránh va chạm, tối ưu năng lượng, và còn có thể nâng hiệu suất hơn nữa nếu kết hợp với các thuật toán lượng tử tiên tiến như biến đổi Fourier lượng tử.

Theo Robotics & Automation News