Fujitsu: Quantencomputer optimieren die Steuerung von Robotern

Per Quantencomputing sollen sich zukünftig komplexe Bewegungen von Robotern schneller berechnen lassen.

Das Shibaura Institute of Technology, die Waseda University und Fujitsu Limited haben eine innovative Methode zur effizienten Steuerung von Robotern unter Einsatz von Quantencomputertechnologie entwickelt. Der Ansatz zielt darauf ab, glattere und komplexere Bewegungen für Roboter der nächsten Generation zu ermöglichen.

Herausforderungen in der Robotersteuerung

Bei der Kontrolle der Haltung eines Roboters ist die Berechnung der inversen Kinematik entscheidend. Dabei wird ausgehend von einem gewünschten Endpunkt für alle Gelenke in einer Kette der passende Winkel bestimmt. Für Roboter mit mehreren Gelenken gibt es eine große Zahl an möglichen Winkelkombinationen. Deshalb sind wiederholte Berechnungen notwendig, um die Abweichung von einer Zielposition zu minimieren. Das führt zu einem hohen Rechenaufwand. Ein Modell mit 17 Gelenken erfordert eine zu große Anzahl möglicher Berechnungen, um diese direkt zu lösen. Eine übliche Methode war bisher, Berechnungen mit ungefähr sieben Gelenken durchzuführen, doch das begrenzt die Geschmeidigkeit der Bewegung.

Die Rolle der Quantentechnologie

Die Forschungsgruppe rund um Fujitsu hat eine neue Methode vorgestellt, die die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings nutzt, um solche Probleme zu lösen. Dabei werden die Orientierung und die Position jedes Roboterteils als Qubit dargestellt. Die Vorwärtskinematik, welche die Endeffektorposition, also die gewünschte Position des Werkzeugs oder der Roboterhand, aus den Gelenkwinkeln berechnet, wird mithilfe von Quantenschaltungen ausgeführt. Die inversen Kinematikberechnungen erfolgen auf klassischen Computern. Im Vergleich zu herkömmlichen klassischen Methoden wurde die Anzahl der notwendigen Berechnungen deutlich reduziert.

Vorteile durch Quantenverschränkung

Durch die Einführung der Quantenverschränkung wird die Struktur nachgebildet, in der die Bewegung von Elterngelenken die Kindergelenke beeinflusst. Das führt zu einer signifikanten Verbesserung der Konvergenzgeschwindigkeit und Genauigkeit der inversen Kinematikberechnungen. Eine Versuchsrechnung zeigte, dass Bewegungskalkulationen für ein Ganzkörper-Mehrgelenkmodell mit 17 Gelenken in ungefähr 30 Minuten ausgeführt werden können. Die Wirksamkeit der Quantenverschränkung wurde zudem durch ein Experiment auf einem 64-Qubit-Quantencomputer bestätigt, der gemeinsam von RIKEN und Fujitsu entwickelt wurde.

Ergebnisse und zukünftige Anwendungen

Die Verifizierung mit Fujitsus Quantensimulator zeigte eine Fehlerreduktion von bis zu 43 Prozent bei weniger Berechnungen im Vergleich zu konventionellen Methoden. Die entwickelte Methode kann die Haltung von Mehrgelenkrobotern mit einer kleinen Anzahl von Qubits ausdrücken. Das macht sie sogar mit aktuellen NISQ-Computern (Noise Intermediate-Scale Quantum) umsetzbar.

Zukünftige Anwendungen umfassen die Echtzeitsteuerung von humanoiden Robotern und Mehrgelenkmanipulatoren, die Hindernisvermeidung und die Energieoptimierung. Weitere Leistungsverbesserungen werden von der Kombination mit fortschrittlichen Quantenalgorithmen wie der Quanten-Fouriertransformation erwartet.