Nhật Bản làm nên bước đột phá với robot: Ứng dụng rối lượng tử giúp chuyển động như người thật

Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Shibaura, Đại học Waseda và công ty Fujitsu đã phát triển một phương pháp mới giúp robot di chuyển mượt mà và hiệu quả bằng cách sử dụng máy tính lượng tử. Đây được coi là bước đột phá quan trọng trong việc tạo ra những robot có khả năng chuyển động giống con người hơn.

Thông thường, khi một robot di chuyển, máy tính của nó phải tính toán cách mà mỗi khớp nối cần uốn cong để tay hoặc chân kết thúc đúng vị trí mong muốn. Quá trình này được gọi là động học nghịch và cực kỳ khó khăn đối với những robot như robot hình người bởi vì có vô số kết hợp có thể xảy ra. Máy tính truyền thống phải thực hiện nhiều phép tính thử và sai, điều này tốn thời gian và sức mạnh tính toán.

Cách tiếp cận mới của nhóm nghiên cứu sử dụng qubit để biểu diễn vị trí và hướng của từng phần của robot. Quan trọng hơn, họ sử dụng rối lượng tử - một tính năng đặc biệt của cơ học lượng tử trong đó các hạt được liên kết sao cho chuyển động của hạt này ảnh hưởng đến hạt khác. Điều này phản ánh cách các khớp robot thực sự hoạt động, trong đó việc di chuyển một khớp sẽ ảnh hưởng đến các khớp được kết nối.

Một khía cạnh quan trọng khác của nghiên cứu này là cách tiếp cận kết hợp, kết hợp giữa máy tính cổ điển và lượng tử. Trong khi động học thuận - tính toán vị trí cuối cùng của tay hoặc chân robot dựa trên các góc khớp nhất định - được xử lý bởi mạch lượng tử, bước động học nghịch vẫn được thực hiện trên máy tính cổ điển. Sự phân chia công việc này cho phép hệ thống tận dụng tốc độ của lượng tử trong khi duy trì tính ổn định thông qua các phương pháp thông thường.

Bằng cách làm điều này, các nhà nghiên cứu đã có thể giảm số lượng phép tính cần thiết. Các thử nghiệm trên máy mô phỏng lượng tử của Fujitsu cho thấy phương pháp này đã cắt giảm lỗi lên đến 43% so với các phương pháp cổ điển và chạy nhanh hơn. Họ thậm chí đã xác nhận kết quả bằng cách sử dụng máy tính lượng tử 64-qubit được phát triển cùng với RIKEN.

Trong một thử nghiệm, họ đã cố gắng tính toán các chuyển động của robot toàn thân với 17 khớp, tương tự như con người. Thông thường, điều này sẽ đòi hỏi một lượng sức mạnh tính toán không thực tế và khoảng 30 phút để hoàn thành.

Đột phá này có ý nghĩa quan trọng bởi vì các robot tương lai, đặc biệt là robot hình người làm việc gần gũi với con người, phải chuyển động một cách linh hoạt, phản ứng nhanh chóng và xử lý các môi trường phức tạp trong thời gian thực. Các phương pháp hiện tại thường đơn giản hóa mô hình, ví dụ như giảm số lượng khớp trong tính toán từ 17 xuống 7, khiến chuyển động trở nên cứng nhắc và kém sống động.

Với phương pháp mới dựa trên lượng tử, chuyển động robot mượt mà và thực tế hơn có thể trở thành hiện thực. Và phần tốt nhất là nó đã có thể hoạt động trên các máy tính lượng tử NISQ ngày nay - những máy chưa hoàn hảo nhưng có thể sử dụng được cho một số vấn đề nhất định.

Về lâu dài, công nghệ này có thể giúp robot trong các nhiệm vụ điều khiển thời gian thực, tránh chướng ngại vật, thao tác nhiều khớp và tối ưu hóa năng lượng. Các nhà nghiên cứu cũng tin rằng cách tiếp cận này có thể trở nên tốt hơn nữa nếu được kết hợp với các thuật toán lượng tử tiên tiến, chẳng hạn như biến đổi Fourier lượng tử, có thể tăng tốc độ tính toán hơn nữa.

Bằng cách kết hợp máy tính lượng tử với robot học, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một bước lớn hướng tới việc tạo ra thế hệ tiếp theo của robot thông minh, giống con người. Takuya Otani từ Viện Công nghệ Shibaura và Atsuo Takanishi từ Đại học Waseda đã hợp tác trong nghiên cứu này, cùng với Nobuyuki Hara, Yutaka Takita và Koichi Kimura từ Fujitsu Limited. Thành tựu này mở ra triển vọng tươi sáng cho việc phát triển những robot có thể tương tác tự nhiên và hiệu quả hơn với con người trong tương lai.