一种从量子实信号到量子图像的类型转换设计方法技术

本发明专利技术提供一种从量子图像到量子实信号的类型转换设计方法，属于量子信号处理领域。本发明专利技术利用量子受控门和单量子比特门，根据IEEE754国际标准，构建从量子灰度图像到量子2维实信号的类型转换和从量子彩色图像到量子2维三通道实信号的类型转换的量子线路，从而为后续的量子信号处理(例如将量子小波应用到量子图像)提供了必要的基础。本发明专利技术体现了量子信息处理在信号处理的高效性：量子灰度图像到量子2维实信号的类型转换和量子彩色图像到量子2维三通道实信号的类型转换的量子线路复杂度都为O(1)。

【技术实现步骤摘要】
一种从量子实信号到量子图像的类型转换设计方法
本专利技术涉及量子信号处理领域，具体的来说是涉及从量子实信号到量子图像的类型转换的设计方法。
技术介绍
量子信号处理是量子计算和信号处理技术相结合的产物，量子计算的并行性和叠加性是量子信号处理优于经典信号处理的根本。图像是一种整数信号，因此量子图像处理是量子信号处理的子领域。在量子计算中，信息单元用量子比特表示，它有两个基本量子态|0>和|1>，基本量子态简称为基态。一个量子比特可以是两个基态的线性组合，常被称为叠加态，可表示为|ψ>＝a|0>+b|1>，其中a和b是两个复数。张量积是将小的向量空间合在一起，构成更大向量空间的一种方法，用符号表示。对于两个基态|u>和|v>，它们的张量积常用缩写符号|uv>，|u>|v>或|u，v>表示，例如对于基态|0>和|1>，它们的张量积可表示为对于矩阵U的n次张量积可简写成对于量子态|u>的n次张量积也可简写成量子线路可以由一序列的量子比特门构成，在量子线路的表示图中，每条线都表示量子线路的连线，量子线路的执行顺序是从左到右。量子比特门可以方便的用矩阵形式表示，单量子比特门可以用一个2×2的酉矩阵U表示，即U+U＝I，其中U+是U的共轭转置矩阵，I是单位阵。X(非门)是一个常用的单量子比特门，是I的n次张量积。一些基本量子比特门的名称、符号及相应的矩阵表示见图1。最重要的多量子比特门是受控U门，由控制量子比特和目标量子比特，当控制位为1时，用黑点表示，当控制位为0时，用白点表示。当U＝X，此时受控U门被称为受控非门。上面这些常见的多量子比特门的名称和符号表示见图2。根据IEEE754国际标准，32比特单精度浮点实数的规定如表1所示。在表1中，符号位0表示正数，1表示负数，±∞表示正负无穷大，NaN表示不是一个数。表132位单精度浮点实数符号位阶码(8比特)尾数(23比特)浮点数0或100±00或10非0的二进制数m±0.m×2-1260或1k(1≤k≤254)二进制数m±1.m×2k-1270或12550±∞0或1255非0的数NaN可以用8量子比特来表示一个灰度：|f(x，y)>＝|c8c7c6c5c4c3c2c1>(1)其中ci∈{0，1}，i＝1，K，8。进一步，n+8量子比特可以表示一幅灰度图像：其中|f(x，y)>表示图像在坐标(x，y)的灰度值，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，图像的大小为2n-k×2k，k、n均为正整数。n+10量子比特可以表示一幅彩色图像：其中分别存储红色通道、绿色通道和蓝色通道的灰度图像，即这里，|fr(x，y)>，|fg(x，y)>，|fb(x，y)>表示图像三个通道在坐标(x，y)的灰度值，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，图像的大小为2n-k×2k，k、n均为正整数。用一个32量子比特的量子态存储一个单精度浮点数，即其中|S(x，y)>＝|Sxy>存储符号位，存储阶码，存储尾数，量子2维实信号的存储表示为其中|l(x，y)>表示信号在位置(x，y)的实数值，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，信号的大小为2n-k×2k，k、n均为正整数。量子2维三通道实信号的存储表示为其中分别存储一个2维实信号，即这里，|l1(x，y)>，|l2(x，y)>，|l3(x，y)>表示信号三个通道在位置(x，y)的实数值，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，信号的大小为2n-k×2k，k、n均为正整数。
技术实现思路
本专利技术提供从量子实信号到量子图像的类型转换的设计方法，包括量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换的设计方法和量子2维三通道实信号到量子彩色图像的类型转换的设计方法，解决了传统方法无法把量子实信号到量子图像的类型转换的技术问题，以便用量子图像处理技术去处理转换生成的量子图像。本专利技术通过以下技术方案解决上述问题：本专利技术利用量子受控门，根据IEEE754国际标准，构建从量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换和从量子2维三通道实信号到量子彩色图像的类型转换的量子线路。专利技术的具体设计方案和步骤为：1、量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换的设计方法由于灰度值的最小值和最大值分别为0和255。因此将小于1的实数转换成灰度0，大于等于256的实数转换成灰度255，并将大于等于1和小于256的实数向下取整转换为相应的灰度。单精度浮点数换成灰度转的规则如表2所示。表2中的符号‘*’表示任意个二进制数字，mi∈{0，1}，i＝1，K，23。表2单精度浮点数转换成灰度的规则根据表2中规则，设计从量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换的量子线路如图3所示，其简图如图4所示。将图3中的虚框1作用到初始态得到其中|ψ2>存储2维实信号，如公式(6)所示，|S(x，y)>存储符号位，|E(x，y)>存储阶码，|M(x，y)>存储尾数，如公式(5)所示，是张量积运算符号，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，k、n均为正整数，|g(x，y)>存储灰度，如公式(10)所示。然后将图3中的虚框2作用到公式(9)中的量子态|ξ>，得到其中|l(x，y)>表示信号在位置(x，y)的实数值，如公式(5)所示，|f(x，y)>存储图像在坐标(x，y)的灰度值，f(x，y)如公式(12)所示：其中符号是向下取整运算符。因此，|f(x，y)>和坐标|x>|y>组合成即为所求的表示灰度图像的量子态。分析图3中的量子线路，发现线路的复杂度是一个与信号大小无关的常量，因此线路的复杂度是O(1)。2、量子2维三通道实信号到量子彩色图像的类型转换的设计方法从量子2维三通道实信号到量子彩色图像的类型转换的量子线路如图5所示。在图5中，QG是量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换量子线路，如图3所示。将图5中的量子线路作用到初始态得到其中|ψ3>存储一个2维三通道实信号，如公式(7)所示，|l1(x，y)>，|l2(x，y)>，|l3(x，y)>存储信号三个通道在坐标(x，y)的实数，如公式(8)所示，|fr(x，y)>，|fg(x，y)>，|fb(x，y)>图像三个通道在坐标(x，y)的灰度值，如公式(14)所示：其中符号是向下取整运算符。分析图5中的量子线路，发现线路的复杂度是一个与信号大小无关的常量，因此线路的复杂度是O(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从量子实信号到量子图像的类型转换设计方法，其特征在于，所述方法利用量子受控门和单量子比特门，根据IEEE 754国际标准，构建从量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换和从量子2维三通道实信号到量子彩色图像的类型转换的量子线路。

【技术特征摘要】
1.一种从量子实信号到量子图像的类型转换设计方法，其特征在于，所述方法利用量子受控门和单量子比特门，根据IEEE754国际标准，构建从量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换和从量子2维三通道实信号到量子彩色图像的类型转换的量子线路。2.根据权利要求1所述的一种从量子实信号到量子图像的类型转换设计方法，其特征在于，所述量子2维实信号到量子灰度图像的类型转换的实现过程为：用8量子比特来表示一个灰度：|f(x，y)>＝|c8c7c6c5c4c3c2c1>(1)其中ci∈{0，1}，i＝1，...，8；n+8量子比特表示一幅灰度图像：其中|f(x，y)>表示图像在坐标(x，y)的灰度值，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，图像的大小为2n-k×2k，k、n均为正整数；用一个32量子比特的量子态存储一个单精度浮点数，即其中|S(x，y)>＝|Sxy>存储符号位，存储阶码，存储尾数，量子2维实信号的存储表示为其中|l(x，y)>表示信号在位置(x，y)的实数值，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，信号的大小为2n-k×2k，k、n均为正整数；灰度值的最小值和最大值分别为0和255，将小于1的实数转换成灰度0，大于等于256的实数转换成灰度255，并将大于等于1和小于256的实数向下取整转换为相应的灰度；将多个受控非门作用到初始态得到其中|ψ2>存储2维实信号，如公式(4)所示，|S(x，y)>存储符号位，|E(x，y)>存储阶码，|M(x，y)>存储尾数，如公式(3)所示，是张量积运算符号，|x>表示信号的x坐标，|y>表示信号的x坐标，k、n均为正整数，|g(x，y)>存储灰度，如公式(6)所示。然后将多个受控非门作...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎海生，范萍，夏海英，宋树祥，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：发明
国别省市：广西,45