日本芝浦工业大学系统理工学部（大谷拓也??教授，人机系统实验室）、早稻田大学理工学术院（高西淳夫教授）与富士通有限公司今日联合宣布，三方成功开发出一种利用量子计算技术高效控制机器人姿态的创新方法。这项新技术透过基於量子位元（qubit）的位置表示法与量子纠缠（quantum entanglement）特性，能够高效且精准地计算多关节机器人的逆运动学（inverse kinematics），即从末端目标位置反向推算各关节的角度。

经富士通的量子模拟器验证，与传统方法相比，此新技术在减少计算量的同时，成功将误差降低了高达 43%。此外，团队更透过理化学研究所（RIKEN）与富士通共同开发的 64 量子位元实体量子电脑进行实验，证实了量子纠缠在此应用中的有效性。

这项研究透过将机器人每个连杆（link）的方向与位置表示为一个量子位元，并利用量子纠缠的特性，在量子电路上复制父关节运动对子关节产生的结构性影响，从而大幅减少了传统古典计算方法所需的计算次数。随着量子计算逐渐迈向实际应用，此项发展有??为需要即时控制与复杂操作能力的次世代机器人开发做出重大贡献。

在机器人姿态控制中，「逆运动学」的计算至关重要。对於拥有多个关节的机器人而言，可能的关节角度组合数量极为庞大，需要透过反覆迭代计算来最小化与目标位置的偏差，这导致了巨大的计算负载。以一个拥有 17 个关节（相当於人体关节数）的全身多关节模型为例，其庞大的计算可能性使其难以被直接求解。过去的普遍作法是将模型简化为约 7 个关节进行运动计算，但这也限制了动作的流畅性。

为了解决这些挑战，本次研究提出了一种利用量子计算能力的新方法。研究团队将机器人各部位（连杆）的方向和位置用量子位元来表示，并使用量子电路执行正向运动学（forward kinematics）计算，即从关节角度计算末端位置。而逆运动学的计算则在古典电脑上进行，透过这种量子-古典混合（hybrid quantum-classical）的架构，实现了高效的姿态控制。

此外，研究团队引入了「量子纠缠」机制，成功在量子电路上重现了父关节运动必然会影响子关节的物理结构。这项创举显着提升了逆运动学计算的收敛速度与准确性。在一项试算中，团队展示了针对 17 个关节的全身模型，其运动计算可在约 30 分钟内完成。

此方法仅需少量量子位元即可表达多关节机器人的姿态，使其甚至能在当前的「杂讯中等规模量子」（NISQ）电脑上实现。展??未来，该技术可??应用於人形机器人与多关节机械臂的即时控制、障碍物闪避以及能源消耗优化等领域。若再结合量子傅立叶转换（quantum Fourier transform）等先进量子演算法，其性能预计将获得进一步的提升。