QUAV: Quantum-Assisted Path Planning and Optimization for UAV Navigation with Obstacle Avoidance

تخيل طائرة بدون طيار (درون) تحاول الطيران عبر مدينة مزدحمة، تتنقل بين ناطحات السحاب، وخطوط الطاقة، ومناطق حظر الطيران، لتوصيل طرد ما. يجب على الكمبيوتر الذي يوجه الطائرة أن يحسب باستمرار المسار الأكثر أماناً وقصرًا في الوقت الفعلي. ومع ازدياد عدد العوائق، تصبح الرياضيات المطلوبة لإيجاد ذلك المسار المثالي هائلة بالنسبة للحواسيب التقليدية، التي يتعين عليها فحص الاحتمالات واحداً تلو الآخر. وهنا يدخل فرع جديد من الحوسبة إلى الصورة: الحوسبة الكمومية. فخلافاً للحواسيب القياسية التي تعالج المعلومات في تسلسل خطي من الأصفار والآحاد، تستخدم الآلات الكمومية القواعد الغريبة للفيزياء لاستكشاف العديد من الاحتمالات في وقت واحد. وبينما لا تزال هذه الآلات في مراحلها الأولى، يتطلع الباحثون بشغف لمعرفة ما إذا كان بإمكانها حل مشكلات الملاحة المعقدة التي تعجز عنها الأنظمة التقليدية.

في دراسة حديثة، قدم فريق من الباحثين من جامعة نيويورك أبوظبي ومجموعة "ثاليس" (Thales Group) طريقة جديدة تسمى QUAV لمواجهة هذا التحدي. لقد بنوا نظاماً يستخدم خوارزمية كمومية، وتحديداً ما يعرف باسم "خوارزمية التحسين التقريبي الكمومي" (Quantum Approximate Optimization Algorithm)، لتخطيط مسارات طيران الطائرات بدون طيار. لم يكن الهدف هو استبدال أدوات الملاحة الحالية فوراً، بل اختبار ما إذا كان النهج الكمومي يمكنه بنجاح توليد مسارات آمنة وفعالة في بيئات مليئة بالعوائق. لقد عامل الباحثون رحلة الطائرة بدون طيار كأنها لغز، حيث كل جزء محتمل من مسار الرحلة هو قطعة تحتاج إلى تركيبها مع القطع الأخرى دون الاصطدام بأي حواجز.

ولإنجاز ذلك، تعين على الفريق أولاً ترجمة العالم الحقيقي إلى لغة يمكن للحاسوب الكمومي فهمها. بدأوا بإحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) القياسية لنقطة انطلاق الطائرة، ونقطة وصولها، ومواقع العوائق مثل المباني أو المناطق المحظورة. ولأن إحداثيات (GPS) منحنية لتناسب سطح الأرض، قام الباحثون بتحويلها إلى نظام مسطح يشبه الشبكة يسمى "إحداثيات ميركاتور المستعرض العالمي" (Universal Transverse Mercator)، والذي يسمح بحسابات دقيقة للمسافات. ثم رسموا منطقة أمان رقمية حول كل عائق، مما خلق منطقة "ممنوع الاقتراب" أكبر لضمان عدم اقتراب الطائرة من أي عائق أبداً. تم تقسيم المساحة بين نقطة البداية والنهاية إلى شبكة من نقاط المسار المحتملة، ورسم الباحثون كل اتصال ممكن بين هذه النقاط لإنشاء شبكة واسعة من المسارات المحتملة.

يتضمن جوهر نظام QUAV تقسيم الرحلة إلى أجزاء صغيرة وتخصيص كل جزء لبت كمومي واحد (qubit). استخدم الباحثون بعد ذلك دائرة كمومية لاستكشاف جميع مجموعات هذه الأجزاء في آن واحد. وبدلاً من فحص المسارات واحداً تلو الآخر، يقوم النظام الكمومي بتقييم المشهد الكامل للاحتمالات دفعة واحدة، بحثاً عن المجموعة التي تقلل المسافة الإجمالية مع تجنب مناطق الأمان حول العوائق بصرامة. يفرض النظام عقوبة كبيرة على أي مسار يقترب كثيراً من عائق، مما يعلم الكمبيوتر فعلياً إعطاء الأولوية للسلامة. ومن خلال عملية صقل متكررة، تقوم الخوارزمية بتعديل إعداداتها الداخلية للعثور على المسار ذي التكلفة الإجمالية الأقل، موازنةً بين الحاجة إلى السرعة والمتطلب المطلق لتجنب الاصطدام.

اختبر الباحثون هذا النهج في ستة سيناريوهات مختلفة، تراوحت بين المساحات المفتوحة والمناطق ذات التجمعات الكثيفة من العوائق. وقارنوا النتائج بطريقتين ملاحيتين كلاسيكيتين معروفتين: إحداهما تضمن أقصر مسار ولكنها قد تكون بطيئة جداً في الحساب، والأخرى سريعة ولكنها غالباً ما تنتج مسارات متعرجة وغير فعالة. وفي عمليات المحاكاة، وجدت المنظومة المدعومة بالكم مسارات أقصر وأكثر مباشرة بشكل ملحوظ من الطريقة الكلاسيكية السريعة. ورغم أنها لم تطابق دائماً المسافة الأقصر المطلقة التي تجدها الطريقة الكلاسيكية الأكثر استقصاءً وبطئاً، إلا أنها كانت أقرب بكثير من البديل السريع. وفي بعض السيناريوهات المعقدة، أنتج النظام الكمومي مسارات تتذبذب قليلاً أكثر من الخط المستقيم المثالي، وهي نتيجة للطبيعة الاحتمالية للحوسبة الكمومية، التي تستكشف خيارات متعددة صالحة بدلاً من اتباع مسار حتمي واحد.

ولإثبات نجاح النظام بما يتجاوز محاكاة الكمبيوتر، قام الفريق بتشغيل الخوارزمية على معالج كمومي حقيقي، وتحديداً جهاز IBM ibm_kyiv. هذا العتاد هو جزء من الجيل الحالي من الحواسيب الكمومية، والتي لا تزال عرضة للأخطاء والضجيج الناتج عن بيئتها. وأظهرت النتائج أنه حتى مع هذه العيوب، لا يزال بإمكان النظام الوصول إلى حل قابل للتطبيق. كانت تكلفة المسار تتذبذب أكثر مما حدث في المحاكاة بسبب ضجيج العتاد، لكن الخوارزمية نجحت في تقليل التكلفة وإيجاد مسار آمن في كل اختبار. لاحظ الباحثون أن النظام يمكنه التعامل مع القيود الفيزيائية للجهاز، مثل الاتصالات المحدودة بين البتات الكمومية، من خلال رسم خرائط دقيقة للمشكلة لتتناسب مع العتاد المتاح.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النهج المدعوم بالكم يعد خطوة أولى قابلة للتطبيق نحو استخدام الحواسب الكمومية في ملاحة الطائرات بدون طيار في العالم الحقيقي. فقد أظهر النظام قدرته على توليد مسارات قابلة للتنفيذ وخالية من الاصطدام، وتزداد تعقيداته بشكل خطي مع عدد أجزاء المسار، وهي سمة واعدة للتطبيقات المستقبلية. وبينما لا يزال العتاد الحالي غير قوي بما يكفي للتفوق على أفضل الحواسيب الكلاسيكية في كل موقف، فإن البحث يؤكد أن المنطق الأساسي يعمل. وتشير النتائج إلى أنه مع تحسن الأجهزة الكمومية وانخفاض مستوى الضجيج فيها، يمكن لهذه الأنظمة في النهاية التعامل مع الحسابات الضخمة والديناميكية المطلوبة لأسطول ذاتي القيادة من الطائرات بدون طيار للتنقل في السماوات المعقدة في المستقبل.