日本芝浦工業大學系統理工學部（大谷拓也副教授，人機系統實驗室）、早稻田大學理工學術院（高西淳夫教授）與富士通有限公司今日聯合宣布，三方成功開發出一種利用量子計算技術高效控制機器人姿態的創新方法。這項新技術透過基於量子位元（qubit）的位置表示法與量子糾纏（quantum entanglement）特性，能夠高效且精準地計算多關節機器人的逆運動學（inverse kinematics），即從末端目標位置反向推算各關節的角度。

經富士通的量子模擬器驗證，與傳統方法相比，此新技術在減少計算量的同時，成功將誤差降低了高達 43%。此外，團隊更透過理化學研究所（RIKEN）與富士通共同開發的 64 量子位元實體量子電腦進行實驗，證實了量子糾纏在此應用中的有效性。

這項研究透過將機器人每個連桿（link）的方向與位置表示為一個量子位元，並利用量子糾纏的特性，在量子電路上複製父關節運動對子關節產生的結構性影響，從而大幅減少了傳統古典計算方法所需的計算次數。隨著量子計算逐漸邁向實際應用，此項發展有望為需要即時控制與複雜操作能力的次世代機器人開發做出重大貢獻。

在機器人姿態控制中，「逆運動學」的計算至關重要。對於擁有多個關節的機器人而言，可能的關節角度組合數量極為龐大，需要透過反覆迭代計算來最小化與目標位置的偏差，這導致了巨大的計算負載。以一個擁有 17 個關節（相當於人體關節數）的全身多關節模型為例，其龐大的計算可能性使其難以被直接求解。過去的普遍作法是將模型簡化為約 7 個關節進行運動計算，但這也限制了動作的流暢性。

為了解決這些挑戰，本次研究提出了一種利用量子計算能力的新方法。研究團隊將機器人各部位（連桿）的方向和位置用量子位元來表示，並使用量子電路執行正向運動學（forward kinematics）計算，即從關節角度計算末端位置。而逆運動學的計算則在古典電腦上進行，透過這種量子-古典混合（hybrid quantum-classical）的架構，實現了高效的姿態控制。

此外，研究團隊引入了「量子糾纏」機制，成功在量子電路上重現了父關節運動必然會影響子關節的物理結構。這項創舉顯著提升了逆運動學計算的收斂速度與準確性。在一項試算中，團隊展示了針對 17 個關節的全身模型，其運動計算可在約 30 分鐘內完成。

此方法僅需少量量子位元即可表達多關節機器人的姿態，使其甚至能在當前的「雜訊中等規模量子」（NISQ）電腦上實現。展望未來，該技術可望應用於人形機器人與多關節機械臂的即時控制、障礙物閃避以及能源消耗優化等領域。若再結合量子傅立葉轉換（quantum Fourier transform）等先進量子演算法，其性能預計將獲得進一步的提升。