一种量子图像乘法运算方法、装置及电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种量子图像乘法运算方法、装置及电子设备，涉及量子运算领域，解决现有技术的量子图像乘法运算算法性能低下的问题，其技术方案要点是：基于NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像；基于量子乘法器对多幅所述量子图像中的任意两幅量子图像做乘法运算处理，获得量子图像的像素值的矩阵；提取所述量子图像的像素值的矩阵中各个像素点的信息，并将所述信息转化为经典图像信息；其中根据二进制乘法对量子乘法的运行步骤进行改进，利用Toffoli门和量子全加器对基于二进制乘法改进的量子乘法进行设计，获得量子乘法器。本发明专利技术提高了量子图像表达算法的性能，使其在经典计算机下仿真更加易于实现。于实现。于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种量子图像乘法运算方法、装置及电子设备


[0001]本专利技术涉及一种量子运算领域，更具体地说，它涉及一种量子图像乘法运算方法、装置及电子设备。

技术介绍

[0002]NEQR量子图像表示模型，将FRQI模型存储于单量子比特概率幅中的灰度信息扩展到多量子比特基矢中，保留其操作灵活性的同时可进行精确控制灰度信息，可以在有限次量子测量中对图像进行精确的恢复和读取，因此在量子乘法和除法运算中有广泛的应用，量子图像乘法运算是以量子乘法器为基础，可应用于量子图像处理中的图像增强、目标提取等领域。
[0003]现有的量子图像乘法运算方法在乘法方式、量子加法器及量子图像制备方式均存在一定的不足之处，使得在量子图像乘法算法在运算的过程中性能较低，因此如何提高了量子图像乘法运算算法的性能，使其在经典计算机下仿真更加易于实现，是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有技术的量子图像乘法运算算法性能低下的问题，目的是提供一种量子图像乘法运算方法、装置及电子设备，本专利技术对现有量子图像乘法运算算法中的乘法方式、量子加法器及量子图像制备方式进行了优化，并对量子线路中辅助量子比特进行了复用，故而提高了量子图像表达算法的性能，使其在经典计算机下仿真更加易于实现。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种量子图像乘法运算方法，包括：
[0007]基于NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像；
[0008]基于量子乘法器对多幅所述量子图像中的任意两幅量子图像做乘法运算处理，获得量子图像的像素值的矩阵；
[0009]提取所述量子图像的像素值的矩阵中各个像素点的信息，并将所述信息转化为经典图像信息；其中根据二进制乘法对量子乘法的运行步骤进行改进，利用Toffoli门和量子全加器对基于二进制乘法改进的量子乘法进行设计，获得量子乘法器；所述信息包括量子图像中像素点的灰度信息和位置信息。
[0010]进一步的，基于NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像，具体包括：
[0011]使用按行制备的NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像，其中，在量子图像灰度信息的制备过程中，利用辅助比特传递位置信息，使位置信息与灰度信息一一对应，并利用置零操作对辅助量子比特进行复用。
[0012]进一步的，基于量子乘法器对多幅所述量子图像中的任意两幅量子图像做相乘运算处理，获得量子图像的像素值的矩阵，具体包括：
[0013]步骤S31，设定两幅量子图像的尺寸信息和灰度值，将两幅量子图像的同一位置信息处的灰度值作为被乘数与乘数，使用量子乘法器进行相乘运算，其中两幅量子图像为两幅并行的量子图像；
[0014]步骤S32，量子图像的每个像素的灰度信息与位置信息为一个叠加态，每完成一个像素点的灰度值相乘后，将辅助比特和结果存储比特通过置零操作实现复用；
[0015]步骤S33，遍历两幅量子图像中所有像素点并执行步骤S31
‑
S32，实现两幅量子图像相乘。
[0016]进一步的，提取所述量子图像的像素值的矩阵中各个像素点的信息，并将所述信息转化为经典图像信息，具体为：
[0017]利用开源量子计算工具包QISKIT、IBMQ仿真云平台以及Anaconda提供的包管理和环境管理功能，用Python语言模拟并实现量子图像乘法运算的仿真。
[0018]进一步的，根据二进制乘法对量子乘法的运行步骤进行改进，利用Toffoli门和量子全加器对基于二进制乘法改进的量子乘法进行设计，获得量子乘法器，具体包括：
[0019]获取待运算的乘数数据与被乘数数据，其中乘数数据具有m位量子比特数，被乘数数据具有n位量子比特数；
[0020]利用Toffoli门将m位量子比特数与n位量子比特数做相乘处理，获得m行第一结果；
[0021]利用量子全加器将m行第一结果按照对应结果位置做相加处理，获得第二结果；其中，相乘和相加分别用量子线路中对应的Toffoli门和量子全加器实现。
[0022]进一步的，利用量子全加器将m行第一结果按照对应结果位置做相加处理，获得第二结果，具体为：
[0023]利用量子全加器将通过Toffoli门得到的m行第一结果的二进制数逐层相加，然后使用 CNOT门将量子全加器输出的结果和进位信息存储到相应的量子比特上，再使用从右到左的移位操作实现两个二进制数的相乘。
[0024]进一步的，利用量子全加器将通过Toffoli门得到的m行第一结果的二进制数逐层相加的过程中：使用置零操作对表示进位信息和控制位信息的量子比特进行复用，其中置零操作表示将量子比特的状态置为|0>态。
[0025]进一步的，再使用从右到左的移位操作实现两个二进制数的相乘，具体为：
[0026]预留m+n位初始化为|0>态的恒定量子比特|res0>
‑
|res(n+m
‑
1)>用于存储相乘结果，其初始值为m+n个零，从右到左依次为低位到高位，在进行第一次加法运算时，加数与此m+n 位的最低位对齐，结果存储于此m+n位，当进行下一次加法运算时，加数与此m+n位的次低位对齐。
[0027]第二方面，本申请提供了一种量子图像乘法运算装置，包括：
[0028]量子图像制备模块，用于基于NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像；
[0029]处理模块，用于基于量子乘法器对多幅所述量子图像中的任意两幅量子图像做乘法运算处理，获得量子图像的像素值的矩阵；
[0030]信息转化模块，用于提取所述量子图像的像素值的矩阵中各个像素点的信息，并将所述信息转化为经典图像信息；其中根据二进制乘法对量子乘法的运行步骤进行改进，
利用 Toffoli门和量子全加器对基于二进制乘法改进的量子乘法进行设计，获得量子乘法器；所述信息包括量子图像中像素点的灰度信息和位置信息。
[0031]第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述第一方面中所述的方法。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0033]1.本专利技术设计了高并行且性能更好的量子图像乘法运算，提高了仿真效率，从而为后续其他量子图像处理算法的理论实验夯实了基础。
[0034]2.本专利技术利用置零操作对辅助比特进行复用，大幅度减少了量子乘法器和量子图像制备时所需的量子比特数量，使得算法的仿真实现得以顺利实现。
附图说明
[0035]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：
[0036]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量子图像乘法运算方法，其特征在于，包括：基于NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像；基于量子乘法器对多幅所述量子图像中的任意两幅量子图像做乘法运算处理，获得量子图像的像素值的矩阵；提取所述量子图像的像素值的矩阵中各个像素点的信息，并将所述信息转化为经典图像信息；其中根据二进制乘法对量子乘法的运行步骤进行改进，利用Toffoli门和量子全加器对基于二进制乘法改进的量子乘法进行设计，获得量子乘法器；所述信息包括量子图像中像素点的灰度信息和位置信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像，具体包括：使用按行制备的NEQR量子图像表示模型制备多幅共用位置信息并处于叠加态的量子图像，其中，在量子图像灰度信息的制备过程中，利用辅助比特传递位置信息，使位置信息与灰度信息一一对应，并利用置零操作对辅助量子比特进行复用。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于量子乘法器对多幅所述量子图像中的任意两幅量子图像做相乘运算处理，获得量子图像的像素值的矩阵，具体包括：步骤S31，设定两幅量子图像的尺寸信息和灰度值，将两幅量子图像的同一位置信息处的灰度值作为被乘数与乘数，使用量子乘法器进行相乘运算，其中两幅量子图像为两幅并行的量子图像；步骤S32，量子图像的每个像素的灰度信息与位置信息为一个叠加态，每完成一个像素点的灰度值相乘后，将辅助比特和结果存储比特通过置零操作实现复用；步骤S33，遍历两幅量子图像中所有像素点并执行步骤S31
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S32，实现两幅量子图像相乘。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取所述量子图像的像素值的矩阵中各个像素点的信息，并将所述信息转化为经典图像信息，具体为：利用开源量子计算工具包QISKIT、IBMQ仿真云平台以及Anaconda提供的包管理和环境管理功能，用Python语言模拟并实现量子图像乘法运算的仿真。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据二进制乘法对量子乘法的运行步骤进行改进，利用Toffoli门和量子全加器对基于二进制乘法改进的量子乘法进行设计，获得量子乘法器，具体包括：获取待运算的乘数数据与被乘数数据，其中乘数数据具有m位量子比特数，被乘数数据具有n位量子比...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁素真，赵文豪，夏书银，卿显荣，田小江，程崇坚，何俊涛，张晶，陈梓昊，孟凡达，刘嘉诚，张钊，李顺龙，李俊希，胡清翔，邓文皙，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：