پردازش کوانتومی تصویر

پردازش کوانتومی تصویر (QIP) در درجه اول به استفاده از محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی برای ایجاد و کار با تصاویر کوانتومی اختصاص دارد . [1] با توجه به برخی از ویژگی های حیرت انگیز که مربوط به محاسبات کوانتومی ، به ویژه درهم تنیدگی و موازی بودن است ، پیش بینی می شود که فناوری های QIP قابلیت ها و اجراهایی را ارائه دهند که هنوز با معادل های سنتی خود بی نظیر هستند. این پیشرفت ها می تواند از نظر سرعت محاسبه ، امنیت تضمین شده و حداقل نیاز به ذخیره سازی و غیره باشد. [1] [2]

فهرست

پیش زمینه [ ویرایش ]

کار ولاسوف [3] در سال 1997 بر استفاده از سیستم کوانتومی برای تشخیص تصاویر متعامد متمرکز شد . این تلاشها با استفاده از الگوریتم های کوانتومی برای جستجوی الگوهای خاص در تصاویر دودویی [4] و شناسایی وضعیت برخی از اهداف دنبال شد. [5] قابل توجه ، تفسیر مبتنی بر نوری بیشتر برای تصویربرداری کوانتومی در ابتدا به صورت آزمایشی در [6] نشان داده شد و پس از هفت سال در [7] رسمیت یافت . Venegas-Andraca و Bub's Qubit Lattice [8] در سال 2003 تصاویر کوانتومی را توصیف می کند. همزمان ، Lattorre نوع دیگری از نمایندگی ها را به نام Ket Real ، پیشنهاد کرد. [9] هدف آن رمزگذاری تصاویر کوانتومی به عنوان پایه ای برای کاربردهای بیشتر در QIMP بود.

از نظر فنی ، این تلاشهای پیشگامانه با مطالعات بعدی مربوط به آنها را می توان در سه گروه اصلی طبقه بندی کرد: [2]

پردازش تصویر دیجیتال با کمک کوانتومی (QDIP): این برنامه ها با هدف بهبود وظایف و برنامه های پردازش تصویر دیجیتال یا کلاسیک انجام می شود. [1]
تصویربرداری کوانتومی مبتنی بر اپتیک (OQI) [10]
پردازش تصویر کوانتومی با الهام از کلاسیک (QIP) [1]

دستکاری تصویر کوانتومی [ ویرایش ]

تلاش زیادی در QIP در طراحی الگوریتم ها برای دستکاری موقعیت و اطلاعات رنگی رمزگذاری شده با استفاده از FRQI و انواع مختلف آن متمرکز شده است. به عنوان مثال ، تحولات هندسی سریع مبتنی بر FRQI شامل چرخش (دو نقطه) ، چرخش ، (چرخش) ((ارتوگونال)) [11] و تحولات هندسی محدود برای محدود کردن این عملیات به یک منطقه مشخص از یک تصویر [12] در ابتدا پیشنهاد شد. اخیراً ، ترجمه تصویر کوانتومی مبتنی بر NEQR برای ترسیم موقعیت هر عنصر تصویر در یک تصویر ورودی در یک موقعیت جدید در یک تصویر خروجی [13] و مقیاس بندی تصویر کوانتومی برای تغییر اندازه یک تصویر کوانتومی [14]مورد بحث قرار گرفتند در حالی که شکل عمومی تحولات رنگی مبتنی بر FRQI برای اولین بار با استفاده از دروازه های کوبیت تک مانند X ، Z و دروازه H ارائه شده است. [15] بعداً ، اپراتور مبتنی بر MCQI مبتنی بر علاقه (CoI) برای تغییر مقدار مقیاس خاکستری کانال رنگی از پیش تعیین شده و اپراتور تعویض کانال (CS) برای مبادله مقادیر خاکستری بین دو کانال به طور کامل مورد بحث قرار گرفت. [16]

برای نشان دادن امکان و قابلیت الگوریتمها و کاربردهای QIP ، محققان همیشه ترجیح می دهند وظایف پردازش تصویر دیجیتالی را بر اساس QIR هایی که قبلاً در اختیار داریم شبیه سازی کنیم. تاکنون محققان با استفاده از دروازه های کوانتومی اولیه و عملیات فوق ، در استخراج ویژگی تصویر کوانتومی ، [17] تقسیم تصویر کوانتومی ، [18] مورفولوژی تصویر کوانتومی ، [19] مقایسه تصویر کوانتومی ، [20] فیلتر کوانتومی نقش داشته اند. ، [21] طبقه بندی تصویر کوانتومی ، [22] تثبیت کننده تصویر کوانتومی ، [23]درمیان دیگران. به طور خاص ، فن آوری های امنیتی مبتنی بر QIMP همانطور که در مباحث بعدی ارائه شد ، مورد توجه محققان قرار گرفته اند. به همین ترتیب ، این پیشرفت ها منجر به کاربردهای بسیاری در زمینه های علامت گذاری ، [24] [25] [26] رمزگذاری ، [27] و استگانوگرافی [28] و غیره شده است که فن آوری های اصلی امنیتی برجسته در این زمینه را تشکیل می دهند.

به طور کلی ، کارهایی که محققان در این زمینه انجام داده اند در گسترش قابلیت استفاده از QIP برای تحقق الگوریتم های پردازش تصویر دیجیتال مانند کلاسیک متمرکز شده است. فناوری هایی را برای تحقق جسمی سخت افزار QIMP پیشنهاد دهید. یا صرفاً توجه به چالش های احتمالی که می تواند مانع از تحقق برخی پروتکل های QIMP شود.

تبدیل کوانتومی تصویر [ ویرایش ]

با کدگذاری و پردازش اطلاعات تصویر در سیستم های کوانتومی مکانیکی ، چارچوبی از پردازش تصویر کوانتومی ارائه می شود ، که در آن حالت کوانتومی خالص اطلاعات تصویر را رمزگذاری می کند: برای رمزگذاری مقادیر پیکسل در دامنه احتمال و موقعیت های پیکسل در محاسبات حالت. . با توجه به تصویری $\ displaystyle F = (F_ {من ، j}) _ {M \ بار L}}$ ، جایی که ${\ displaystyle F_ {من ، j}}$ مقدار پیکسل را در موقعیت نشان می دهد $(من ، ج)$ با ${\ displaystyle i = 1 ، \ نقطه ، M$ و $\ displaystyle j = 1 ، \ نقطه ، L$ ، یک وکتور ${\ vec {f}$ با $display \ displaystyle ML$ با اجازه دادن به عناصر می توان شکل گرفت ${\ vec {f}$ اولین ستون باشد $ف$ ، بعدی $م$ ستون دوم و غیره

یک کلاس بزرگ از عملیات تصویر بصورت خطی است ، به عنوان مثال ، تحولات واحدی ، حلق آویزها و فیلترهای خطی. در محاسبات کوانتومی ، تبدیل خطی می تواند به عنوان نشان داده شود $\ displaystyle | g \ rangle = {\ hat {U}} | f \ rangle$ با حالت تصویر ورودی $\ displaystyle | f \ rangle$ و حالت تصویر خروجی $\ displaystyle | g \ rangle$ . تحول واحد می تواند به عنوان یک تکامل واحد انجام شود. برخی از تبدیل های اصلی و متداول تصویر (به عنوان مثال ، تبدیل موجک فوریه ، هادامارد و هار) می توانند به شکل بیان شوند ${\ نمایشگر G = PFQ$ ، با تصویر نتیجه $ج$ و یک ردیف (ستون) ماتریس تبدیل ) ${\ نمایشگر P (Q)$ . اپراتور واحد مربوطه $\ displaystyle \ hat {U}}}$ سپس می تواند به عنوان نوشته شود $\ displaystyle \ hat {U}} = {Q} ^ {T} \ otimes {P}}$ . چندین تبدیل تصویر دو بعدی متداول مانند تبدیل موجک هایار ، فوریه و تبدیل Hadamard به صورت آزمایشی بر روی یک کامپیوتر کوانتومی ، [29] با سرعت نمایی نسبت به همتایان کلاسیک خود نشان داده شده اند. علاوه بر این ، یک الگوریتم کوانتومی رمان بسیار کارآمد برای تشخیص مرز بین مناطق مختلف یک تصویر ارائه شده و به صورت آزمایشی اجرا شده است: مستقل از اندازه تصویر ، فقط نیاز به یک دروازه تک-qubit در مرحله پردازش دارد.