芝浦工業大学 システム理工学部の大谷拓也准教授（人間ロボットシステム研究室）、早稲田大学 理工学術院の高西淳夫教授、および富士通は8月25日、量子コンピュータを活用してロボットの姿勢を効率的に制御する新手法を開発したことを発表した。

実証では、複数の関節を持つロボットの「逆運動学計算」（目標位置に到達するための関節角度の計算）を、量子技術を活用して効率的かつ高精度に解くことに成功したとのことだ。理化学研究所と富士通が共同開発した64量子ビットの実機検証でにおいてその有効性を確認している。

ロボットの各部（リンク）の向きや位置を量子ビットで表現し、親関節の動きが子関節に影響する構造を量子もつれで再現することで、従来の古典的手法と比べて必要な計算回数を削減している。

  • ロボットの姿勢制御のイメージ

    ロボットの姿勢制御のイメージ

複雑化するロボットの姿勢計算に量子技術で突破口

ロボットの姿勢制御では、目標とする手先の位置から関節の角度を求める「逆運動学計算」が重要とされる。特に複数の関節を持つロボットでは関節の組み合わせが膨大となり、目標位置との誤差を最小化するために反復計算が必要となる。

その結果として計算負荷が高くなり、17個の関節を有する全身多関節のモデルの場合は解空間が膨大となるため解けず、7個の関節で運動計算を行うのが一般的だった。しかし、動きの滑らかさに限界があった。

そこで今回の研究では、こうした課題に対して、量子コンピュータの特性を利用した新しい手法を検討した。ロボットの各部品（リンク）の向きや位置を量子ビットで表現し、量子回路を用いて順運動学計算（関節角度から手先位置を求める計算）を実行。逆運動学計算は古典的なコンピュータで行い、量子と古典のハイブリッドの手法によって効率的な姿勢制御を実現したとのことだ。

量子もつれの導入で収束速度と精度が向上

量子もつれを導入し、親関節の動きが子関節に自然に影響を与える構造を量子回路上で再現した。これにより、逆運動学計算の収束速度と精度が大幅に向上したという。富士通の量子シミュレータを用いた検証では、従来手法と比較して少ない計算回数でも最大43%の誤差低減を達成している。

また、64量子ビットの実機を用いた実験においても量子もつれの導入による効果を確認している。さらに、ロボットなどの17個の関節を持つ全身多関節モデルの運動計算を30分程度で実行できるという試算も得られた。

ヒューマノイドや多関節ロボットへの応用に期待

今回開発された手法は少数の量子ビットで多関節ロボットの姿勢を表現できるため、現在の開発段階の量子コンピュータ（NISQ：Noisy Intermediate-Scale Quantum）環境でも実装可能。

将来的にはヒューマノイドロボットや多関節マニピュレータのリアルタイム制御、障害物回避、エネルギー最適化などへの応用が期待できる。また、量子フーリエ変換などの高度な量子アルゴリズムとの組み合わせによってさらなる性能向上も見込めるとのことだ。