پردازش تصویر کوانتومی

در علوم کامپیوتر، پردازش تصویر کوانتومی (QIP) در درجه‌ی اول در محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی، برای ایجاد و کار با تصاویر کوانتومی استفاده می‌شود.

با توجه به برخی از ویژگی‌های ذاتی محاسبات کوانتومی، به ویژه درهم تنیدگی و موازی بودن، پیش‌بینی می‌شود که فناوری‌های QIP از نظر سرعت محاسبات، امنیت، حداقل نیازهای ذخیره‌سازی، قابلیت‌ها و عملکردهایی را ارائه دهند که از معادل‌های سنتی خود پیشی می‌گیرد.

تاریخچه 
کار A. Y. Vlasov 41 در سال ۱۹۹۷ بر استفاده از یک سیستم کوانتومی برای تشخیص تصاویر متعامد متمرکز بود. به دنبال آن تلاش‌هایی با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی برای جستجوی الگوهای خاص در تصاویر باینری و تشخیص وضعیت اهداف خاص انجام شد.  قابل توجه است ، تفسیرهای بیشتر مبتنی بر اپتیک ، برای تصویربرداری کوانتومی در ابتدا به طور تجربی در  نشان داده شد و پس از هفت سال  رسمیت یافت.

در سال ۲۰۰۳، Salvador Venegas-Andraca و S. Bose ، شبکه کیوبیت را ارائه کردند، اولین مدل عمومی منتشر شده برای ذخیره‌سازی، پردازش و بازیابی تصاویر با استفاده از سیستم های کوانتومی. بعداً، در سال ۲۰۰۵، Latorre نوع دیگری از نمایش را به نام Real Ket پیشنهاد کرد. که هدف آن کدگذاری تصاویر کوانتومی به عنوان مبنایی برای کاربردهای بیشتر در QIMP بود. علاوه بر این، در سال ۲۰۱۰ Venegas-Andraca و Ball روشی را برای ذخیره و بازیابی اشکال هندسی دوتایی در سیستم های مکانیکی کوانتومی ارائه کردند که در آن نشان داده شده است که کیوبیت های حداکثر درهم تنیده را می توان برای بازسازی تصاویر بدون استفاده از هیچ گونه استفاده کرد.

از نظر فنی، این تلاش های پیشگام با مطالعات بعدی مرتبط با آنها را می توان به سه دسته بندی کرد :

 پردازش تصویر دیجیتال با کمک کوانتومی (QDIP): هدف این برنامه‌ها بهبود وظایف و برنامه‌های پردازش تصویر دیجیتال یا کلاسیک است.
 تصویربرداری کوانتومی مبتنی بر اپتیک(OQI)
 پردازش تصویر کوانتومی با الهام از کلاسیک(QIP)

یک بررسی از نمایش تصویر کوانتومی در  منتشر شده است.علاوه بر این، کتاب اخیراً منتشر شده پردازش تصویر کوانتومی  مقدمه ای جامع برای پردازش تصویر کوانتومی ارائه می دهد که بر گسترش وظایف پردازش تصویر معمولی به چارچوب محاسبات کوانتومی تمرکز دارد.این کتاب نمایش‌های تصویر کوانتومی موجود و عملیات آن‌ها را خلاصه می‌کند، کاربردهای تصویر کوانتومی احتمالی و پیاده‌سازی آن‌ها را بررسی می‌کند، و سؤالات باز و روند توسعه آینده را مورد بحث قرار می‌دهد.

دستکاری تصویر کوانتومی 
بسیاری از تلاش ها در QIP بر روی طراحی الگوریتم هایی برای دستکاری موقعیت و اطلاعات رنگ کدگذاری شده با استفاده از نمایش انعطاف‌پذیر تصاویر کوانتومی (FRQI) و انواع مختلف آن متمرکز شده است. به عنوان مثال، تبدیل‌های هندسی سریع مبتنی بر FRQI شامل جابجایی (دو نقطه‌ای)، چرخش، چرخش‌های (متعامد)  و تبدیل‌های هندسی محدود برای محدود کردن این عملیات به ناحیه مشخصی از یک تصویر در ابتدا پیشنهاد شد. اخیراً، ترجمه تصویر کوانتومی مبتنی بر NEQR برای ترسیم موقعیت هر عنصر تصویر در یک تصویر ورودی به موقعیت جدیدی در یک تصویر خروجی و مقیاس‌گذاری تصویر کوانتومی برای تغییر اندازه یک تصویر کوانتومی مورد بحث قرار گرفت. در حالی که شکل کلی تبدیل رنگ مبتنی بر FRQI برای اولین بار با استفاده از گیت های تک کیوبیتی مانند گیت های X، Z و H ارائه شد.  بعداً، اپراتور کانال مورد علاقه مبتنی بر تصویر کوانتومی چند کاناله (Col) که مستلزم تغییر مقدار مقیاس خاکستری کانال رنگی از پیش انتخاب شده و عملگر تعویض کانال (CS) برای تعویض مقادیر مقیاس خاکستری بین دو کانال به طور کامل مورد بحث قرار گرفت.

برای نشان دادن امکان‌ سنجی و قابلیت الگوریتم‌ها و کاربردهای QIMP، محققان همیشه ترجیح می‌دهند وظایف پردازش تصویر دیجیتال را بر اساس QIRهایی که قبلاً داریم شبیه‌سازی کنند.با استفاده از گیت‌های کوانتومی پایه و عملیات‌های فوق، تاکنون محققان به استخراج ویژگی‌های تصویر کوانتومی،  مقایسه تصویر، تثبیت،  تقسیم‌بندی تصویر کوانتومی،  مورفولوژی تصویر کوانتومی، فیلتر کوانتومی تصویر کوانتومی، طبقه بندی تصاویر کوانتومی،  تصویر کوانتومی در میان سایر موارد ، کمک کرده‌اند.به طور خاص، فناوری‌های امنیتی مبتنی بر QIMP، همانطور که در بحث‌های بعدی ارائه میشود، توجه گسترده‌ای از محققان را به خود جلب کرده است. به طور مشابه، این پیشرفت‌ها منجر به کاربردهای زیادی در زمینه‌های واترمارک، رمزگذاری، و steganography  (پنهان سازی یک پیام کوچک درون فایل بزرگتری که ظاهراً حاوی چیز دیگری است) شده است که فناوری‌های امنیتی اصلی برجسته‌شده در این زمینه را تشکیل می‌دهند.

به طور کلی، کارهایی که محققان در این زمینه دنبال می‌کنند، بر گسترش کاربرد QIMP برای تحقق الگوریتم‌های پردازش تصویر دیجیتالی شبیه به کلاسیک متمرکز است ; پیشنهاد فن آوری برای تحقق فیزیکی سخت‌افزار QIMP; یا صرفاً به چالش‌های احتمالی که می‌تواند مانع تحقق برخی از پروتکل‌های QIMP شود.

تبدیل تصویر کوانتومی 
با رمزگذاری و پردازش اطلاعات تصویر در سیستم‌های مکانیکی کوانتومی، چارچوبی از پردازش تصویر کوانتومی ارائه می‌شود که در آن یک حالت کوانتومی خالص اطلاعات تصویر را رمزگذاری می‌کند: برای رمزگذاری مقادیر پیکسل در دامنه‌های احتمال و موقعیت‌های پیکسل در حالت‌های پایه محاسباتی خواهیم داشت:

با فرض یک تصویر F = (Fi,j)M x L ، که Fi,j نشان دهند مقدار پیکسل در مکان (i,j) با مقادیر i = 1 , 2 , … , M و j = 1 , 2 , … , L و بردار f با اجزای ML که میتوان آن را با فرض اینکه M اولین ستون F و  M بعدی ستون دوم F و ... باشد ، تشکیل داد.

دسته بزرگی از عملیات تصویر خطی هستند، به عنوان مثال، تبدیل واحد، پیچیدگی ( convolution )، و فیلتر خطی. در محاسبات کوانتومی، تبدیل خطی را می توان به صورت ⟩g⟩ =  Û|f| با حالت تصویر ورودی ⟨f| و حالت تصویر خروجی ⟨g| نشان داد. یک تحول واحد می تواند به عنوان یک تکامل واحد اجرا شود. برخی از تبدیل‌های اصلی و رایج تصویر (مانند تبدیل موجک فوریه، هادامارد و هار) را می‌توان به شکل G = PFQ، با تصویر G و یک ردیف (ستون) تبدیل ماتریس P(Q) بیان کرد.

سپس عملگر واحد متناظر Ü را می توان به صورت Û = QT⊗P نوشت. چندین تبدیل تصویر دو بعدی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، مانند تبدیل موجک هار، فوریه و هادامارد، به طور تجربی بر روی یک کامپیوتر کوانتومی نشان داده شده اند، با سرعت نمایی بیش از آنها. همتایان کلاسیک علاوه بر این، یک الگوریتم کوانتومی بسیار کارآمد جدید برای تشخیص مرز بین نواحی مختلف یک تصویر پیشنهاد شده و به صورت تجربی پیاده‌سازی می‌شود: این الگوریتم تنها به یک دروازه کیوبیت در مرحله پردازش، مستقل از اندازه تصویر نیاز دارد.

پانویس