一种视频数据的量子制备方法技术

本发明专利技术提供了一种视频数据的量子制备方法。包括利用量子本质特性设计了一种在量子计算机中存储视频数据的模式、给出了实现该存储模式的量子运算门线路设计方法，本发明专利技术是将视频数据存储到量子计算机上的完整技术方法。本发明专利技术实现了任意时长、任意画面尺寸视频数据的量子制备，为利用量子计算机实现高效存储和处理海量视频数据建立了技术基础。

A Quantum Method for Preparing Video Data

The invention provides a quantum preparation method of video data. A mode of storing video data in a quantum computer is designed by using quantum essential characteristics, and a design method of quantum operation gate circuit for realizing the storage mode is given. The present invention is a complete technical method for storing video data on a quantum computer. The invention realizes the quantum preparation of video data with arbitrary length and screen size, and establishes the technical basis for efficient storage and processing of massive video data by using quantum computer.

【技术实现步骤摘要】
一种视频数据的量子制备方法
本专利技术涉及视频处理技术和量子计算技术，具体涉及一种视频数据的量子制备方法。
技术介绍
过去数十年间，计算机硬件性能按照摩尔定律的趋势迅速发展，经典计算机算力的指数级增长给人类社会带来巨大变革。然而，受限于传统制造技术的极限，经典计算机的计算速度不可能无限制的提高。经典计算机算力增长瓶颈已经浮现，当前各大厂白热化竞争的7纳米工艺，已经接近摩尔定律的终点。尽管还有一些方法可以进一步榨取制造工艺的能力，比如5纳米制程、多层蚀刻等等，但这些不过是逼近工艺极限，是这条技术路线散发的最后的余辉。实际上，在芯片制程小于20纳米时，量子效应就开始影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程难以继续遵循摩尔定律。近年来巨型计算机的增长速度正在逐渐下降，正是摩尔律失效的体现。量子计算是量子力学、计算机科学、光电技术、信息科学等诸多学科相结合而形成的交叉学科，是一种具有巨大潜力可能超越经典计算和解决摩尔律失效问题的新的计算模式。量子信息处理使用量子比特作为它的基本信息单元，具有本质上的并行性和叠加性。相对于传统的计算理论，量子计算在存储性能和并行计算方面有突出的优点：一方面，由于n位量子比特可以同时存储2n个数据，存储容量相对于传统的存储器有指数级的提高；另一方面，由于量子态的叠加、纠缠以及干涉等特性，量子计算能够实现超并行计算。面对如此优势，量子信息技术的研究成为世界各国战略竞争焦点。量子计算视觉是量子计算与视觉信息处理相结合的交叉学科，主要处理的对象是视觉数据。视觉数据是人类认识和理解客观世界的重要来源。近年来，伴随着光学成像、互联网和高性能计算等多个领域的迅猛发展，以视频为载体的视觉数据在获取、计算和交换成本上大大降低，引发了视觉数据规模呈爆炸式增长，从而产生了视觉大数据问题。如何存储和高效处理海量视觉数据，是亟待突破的关键技术。量子视频信息处理是解决高效存储和处理海量视频数据问题的一条重要探索途径。将视频数据存储到量子计算机中是利用量子计算机对视频数据进行处理的基本前提，因此，视频数据的量子制备成为一项重要的工作。实际上，当前尚无通用于任意时长、任意画面尺寸的视频数据的量子计算处理的公开文献，究其原因，没有适用于任意时长、任意画面尺寸视频数据的通用制备方法是一个关键技术障碍。本专利技术基于量子本质特性设计了一种可以在量子计算机上实现的存储模式，采用一种量子线路，完成了将任意时长、任意画面尺寸视频数据制备到量子计算机中的技术方案。为利用量子计算机解决高效存储和处理海量视频数据问题扫除了一个关键技术障碍。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种视频数据的量子制备方法，本专利技术基于量子本质特性设计了一种可以在量子计算机上实现的存储模式，采用一种量子线路，完成了将任意时长、任意画面尺寸视频数据制备到量子计算机中的技术方案。为利用量子计算机解决高效存储和处理海量视频数据问题扫除了一个关键技术障碍。将视频数据存储到量子计算机中，是之后在量子计算机上对视频进行各种处理的基础。要将视频数据存储到量子计算机中，首先要利用量子本质实现一种在量子计算机中存储视频数据的技术手段。视频数据的量子制备方法，本质是一组量子位经过量子运算得到的量子叠加态，叠加态中包含视频数据信息。用特定的编码技术方法能够将原始视频数据编码到这种量子叠加态中，用相应的解码技术方法能够从这种量子叠加态中解码得到视频数据。研发一定的量子运算门线路、将视频数据存储到量子计算机上的过程称为量子视频制备。下面分制备算法公式和制备算法实现两个部分给出一种将视频数据制备到量子计算机中的方法的技术特征。一、制备算法公式采用两级量子体系作为量子计算机的量子位。用|0>表示向量用|1>表示向量|0>和|1>是两个单量子位计算基态。量子位可以处于|0>和|1>之外的其它状态。量子位可能的叠加态可以用|0>和|1>的线性组合表示：|ψ>＝α|0>+β|1>。α和β是复数，满足|α|2+|β|2＝1，|α|2和|β|2分别表示对量子位进行测量时其坍塌至|0>态和|1>态的概率。视频数据V中，画面宽、高分别为W、H，帧数为D。用w、h、d分别表示存储三个维度上所处位置信息所需的量子位数目；存储各个维度上信息所需量子位的具体个数与视频三个维度尺寸之间的关系为：本专利技术实现对帧数为任意正整数的视频进行量子存储。视频中，画面宽度和高度均可以是任意正整数。特殊的，当某个维度的取值为1时，数据降维。例如，如果视频帧数D取值为1，那么，视频数据退化为图片数据，此时，用来存储帧序信息的量子位个数d为0个。视频数据中，X、Y、T分别表示一个像素点在宽度、高度和帧数三个维度的具体取值。视频数据中像素的灰度值为f＝f(X,Y,T)。对于一部视频数据，只要给定一个像素所处的宽度、高度和帧数，就可以确定这个像素的灰度值。用AXYT表示所处宽度、高度、帧数分别为X、Y、T的像素的灰度值。令视频的灰阶数为K。标准视频数据中，像素的灰阶通常为2的整数次幂，即K＝2k，k为整数。基于量子科学本质，本专利技术设计了一种可以在量子计算机上实现的量子状态向量|V>来存储视频数据，实现了将任意时长、任意画面尺寸视频数据制备到量子计算机中的技术方案，为利用量子计算机解决存储和高效处理海量视频数据问题扫除了一个关键技术障碍。量子状态向量|V>的表达式如下：其中，|XYT>为|X>、|Y>、|T>的张量积，|AXYT>＝|(aXYT)k-1(aXYT)k-2…(aXYT)0>，对任意i∈{0,1,…k-1}，有(aXYT)i∈{0,1}；视频灰阶数为K＝2k，对于任一像素的灰度值，需要k个量子位组合起来表示。所处宽度、高度、帧数分别为X、Y、T的像素的灰度值AXYT信息存放在|AXYT>中，用k个量子位组合起来表示。这里，k个量子位是i取0到k-1这k个不同整数时的k个|(aXYT)i>，k个量子位组合起来的方式是k个|(aXYT)i>的张量积。|X>＝|xw-1xw-2…x0>，对任意i∈{0,1,…w-1}，有xi∈{0,1}；一个像素所处的宽度方向上的位置，用X表示。X的信息存放在量子状态向量|X>中，由于像素所处宽度位置X的信息需要w个量子位组合起来表示。w个量子位是i取0到w-1这w个不同整数时的w个单量子位计算基态|xi>，w个量子位组合起来的方式是w个|xi>的张量积。也就是，量子状态向量|X>存储一个像素在宽度方向上所处位置的信息。量子状态向量|X>由w个量子位组合得到。这w个量子位是i取0到w-1这w个不同整数时的w个单量子位计算基态|xi>，w个量子位组合起来的方式是w个|xi>的张量积。也即存储一个像素在宽度上所处位置的信息的量子状态向量|X>是i取0到w-1这w个不同整数时的w个单量子位计算基态|xi>的张量积。|Y>＝|yh-1yh-2…y0>，对任意i∈{0,1,…h-1}，有yi∈{0,1}；量子状态向量|Y>存储一个像素在高度上所处位置的信息。量子状态向量|Y&g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种视频数据的量子制备方法，其特征在于：视频数据量子制备算法的公式为

【技术特征摘要】
1.一种视频数据的量子制备方法，其特征在于：视频数据量子制备算法的公式为其中，|AXYT>＝|(aXYT)k-1(aXYT)k-2…(aXYT)0>存储像素点灰度信息，对任意i∈{0,1,…k-1}，有(aXYT)i∈{0,1}；|X>＝|xw-1xw-2…x0>存储宽度信息，对任意i∈{0,1,…w-1}，有xi∈{0,1}；|Y>＝|yh-1yh-2…y0>存储高度信息，对任意i∈{0,1,…h-1}，有yi∈{0,1}；|T>＝|td-1td-2…t0>存储帧序信息，对任意i∈{0,1,…d-1}，有ti∈{0,1}，视频灰阶数K＝2k，k为整数，对于任一像素的灰度值，需要k个量子位表示，W、H、D分别表示视频数据V的画面宽、高、帧数，X、Y、T分别表示一个像素点在宽度、高度和帧数三个维度的具体取值，用w、h、d分别表示存储三个维度上所处位置信息所需的量子位数目，存储各个维度上信息所需量子位的具体个数与视频三个维度尺寸之间的关系为：采用状态向量|V>存储一部视频数据，需k个量子位存储灰度信息，w个量子位存储宽度信息、h个量子位存储高度信息、d个量子位存储时间信息。总共需要量子位数目为bq＝k+w+h+d个,也即个。2.一种视频数据的量子制备方法，其特征在于按以下步骤进行：步骤一：将量子状态向量|V>的视频数据中存储灰度值信息的k个量子位置于|0>态，将存储宽度信息、高度信息和帧序信息的w+h+d个量子位置于叠加态；k是存储灰度信息的量子位个数，w是存储宽度信息的量子位个数、h是存储高度信息的量子位个数、d是存储帧序信息的量子位个数；步骤二：将载有灰度值信息的k个量子位与载有宽度信息、高度信息和帧序信息的w+h+d个量子位进行量子纠缠，使得当w+h+d个量子位坍塌至表示某个宽度、高度和帧数的像素的信息的量子态时，载有灰度值信息的k个量子位必然坍塌至表示这个像素的灰度值的量子态；无论w+h+d个表示位置信息的量子位坍塌到哪一个像素的位置对应的量子态，载有灰度值信息的k个量子位以概率1坍塌至表示这个像素的灰度值的量子态，这k+w+h+d个量子位中，包含这个画面宽度和高度分别为W和H、帧数为D的视频数据的所有信息。3.根据权利要求2所述的视频数据的量子制备方法，其特征在于：步骤一具体为：(1).将所有bq个量子位中每一位都置为单量子位计算基态|0>态。(2).将存储宽度信息的w个量子位平行通过w个Hadamard门,Hadamard门传输矩阵为处于计算基态|0>的量子位通过Hadamard门后得到叠加态处于计算基态|1>的量子位通过Hadamard门后得到叠加态w个量子位平行通过w个Hadamard门，是指每一个量子位都通过一个H...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智，李旭，潘宁，谌先敢，胡怀飞，安树庭，刘海华，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42