Российские исследователи из Научной лаборатории ИИ, анализа данных и моделирования имени профессора А. Н. Горбаня Центрального университета, Исследовательского центра в сфере ИИ Университета Иннополис и других институтов разработали способ ускорить поиск оптимальных движений роботизированной руки в 30 раз. Ускорение достигается за счёт использования современного поколения квантовых компьютеров. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Scientific Reports.
Новый метод позволяет создавать более быстрых, точных и энергоэффективных роботов. С помощью представленных алгоритмов можно уменьшить задержку между принятием решения о целевом положении робота-манипулятора и началом движения в реальности. Сами манипуляции становятся более плавными и оптимизированными, робот не делает лишних движений. Развитие передовых робототехнических решений снижает зависимость России от импортных технологий и повышает конкурентоспособность национальной промышленности на глобальном рынке.
Современные роботы должны точно и быстро перемещать свои манипуляторы в пространстве. За этим стоит сложная математическая задача обратной кинематики. Нужно определить, какие действия совершить, чтобы робот смог схватить предмет и прийти в заданное положение с минимальным количеством действий. От решения этой задачи зависит, насколько быстро и плавно робот возьмёт деталь или выполнит операцию.
До сих пор такие задачи решались на классических кремниевых процессорах с помощью численных методов. Когда робот может выполнять больше типов движений и появляются дополнительные ограничения, вычисления становятся медленнее. Кремниевый процессор уже не справляется. Это критично в реальном времени, например в автономных автомобилях или в роботах, взаимодействующих с людьми.
Учёные предложили иной подход. Они перевели задачу управления роботом на язык квантовых компьютеров. Это позволяет использовать физические законы квантового мира для поиска оптимального решения среди миллиардов вариантов в разы быстрее.
Исследователи переформулировали задачу в специальный математический формат, понятный квантовым процессорам нового поколения D-Wave. Углы между суставами робота кодируются в виде специальной последовательности цепочек нулей и единиц. Поиск оптимального положения сводится к поиску минимума квадратичной функции от этих нулей и единиц.
Такой формат позволяет использовать квантовый отжиг. Это технология, реализованная в новых процессорах, для поиска глобального минимума в сложном пространстве решений. Это оптимизирует движения робота аналогично тому, как множество мышц человека сокращаются и расслабляются, чтобы рука точно взяла чашку с кофе.
Эксперименты проводились на реальном квантовом процессоре D-Wave. Учёные оценивали, насколько длина цепочки влияет на точность действий и время работы алгоритма. Результаты показали, что гибридные квантово-классические алгоритмы достигли ускорения в 30 раз по сравнению с классическими кремниевыми методами.
Директор Исследовательского центра в сфере ИИ Университета Иннополис Рамиль Кулеев, отметил, что задачи по управлению движением роботов можно решать с помощью вычислений на реальном квантовом оборудовании. В работе учёные рассмотрели одну из базовых задач робототехники — обратную кинематику. Она отвечает на вопрос, какие углы должны принять суставы робота, чтобы его рука оказалась в заданной точке. Такие расчёты используются при работе промышленных роботов, манипуляторов и автоматизированных систем.
Рамиль Кулеев пояснил, что авторы перевели задачу в форму, понятную квантовому компьютеру, и решили её на квантовом вычислителе компании D-Wave. Расчёты проводились не на симуляторе, а на реальном квантовом устройстве. Целью исследования было показать, как реальные инженерные задачи можно корректно формулировать и проверять с использованием квантовых вычислений и какие ограничения у таких подходов существуют на практике. Работа демонстрирует полный путь решения от математического описания движения робота до проверки корректности работы решения, полученного квантовым компьютером.
Старший научный сотрудник лаборатории ИИ, анализа данных и моделирования имени профессора А. Н. Горбаня Центрального университета и соавтор статьи Глеб Рыжаков рассказал, что долгое время квантовые компьютеры воспринимались как универсальные машины будущего, способные за небольшое время решать сложные алгоритмические задачи. Развитие квантовых компьютеров такого типа столкнулось с теоретическими и инженерными трудностями, которые на данный момент не позволяют использовать их для решения практических задач.
Глеб Рыжаков пояснил, что только недавно появилось понимание другого пути. Можно рассматривать такие квантовые системы, с помощью которых можно решать узкоспециализированную и довольно простую по постановке задачу. Затем сводить к этой задаче реальные математические проблемы, требующие численного решения. Именно это и сделала исследовательская группа. Учёные показали, как можно свести сложную и практически важную задачу робототехники к задаче, в рамках которой работает квантовый процессор нового типа D-Wave. Эта работа является примером успешного синтеза робототехники, алгоритмов оптимизации и квантовых вычислений современного типа.
Как добавил Рыжаков, задача робототехники была взята как практический пример. В перспективе этот тандем теоретических методов и оборудования нового типа способен решать огромное множество задач по оптимизации, важных в разных практических и теоретических областях. Особенно если новые квантовые процессоры станут мощнее и доступнее. D-Wave. Учёные оценивали, насколько длина цепочки влияет на точность действий и время работы алгоритма. Результаты показали, что гибридные квантово-классические алгоритмы достигли ускорения более чем в 30 раз по сравнению с классическими кремниевыми методами.
