Алгоритмы и инструменты для преобразования классических изображений в квантовые изображения

Аннотация

This paper analyzes the algorithms for processing classical images into quantum images, which is one of the important stages of quantum image processing. Quantum generation with 8,000 shots on IBM real-time computer and Aer simulator, presents the proposed products for efficient encoding of images into quantum format and optimization of qubit loading size. The research can contribute to the development of quantum image processing systems. Keywords: Quantum image, superposition, noise, CNOT gate, X (NOT) gate, H (Hadamard) gate, Aer simulator. Kirish. Klassik tasvirlar turli sohalarda, jumladan, tasvirni tiklash va yaxshilash, tibbiyot, masofaviy zondlash, kodlash, mashina va robot ko‘rish tizimlari, rangni qayta ishlash, naqshni aniqlash hamda video ishlov berishda qo‘llaniladi. Ayniqsa, yuzni aniqlash texnologiyasi shaxsni tanib olish va raqamli kriminalistikada keng foydalaniladi. Kvant tasviri ilgari superpozitsiya orqali amalga oshirilgan. Natijada kvant tasviri superpozitsiya funksiyasidan foydalangan holda 246 Современные проблемы интеллектуальных систем. Республиканская научно-практическая конференция. Джизак, 18-19 апреля 2025 г. amalga oshirildi. Keyin unitar matritsalar kvant zanjirlarini ifodalash uchun ishlatiladi. Kvant tasviri uchun biz kamtarona tasvirni oldik. Kvant sxemalarini yaratish uchun IBM kompaniyasining Qiskit dasturi va Anaconda Python dasturidan foydalanilgan. IBM real vaqt kompyuterida va Aer simulyatorida 8 000 ta tortishish bilan kvant sxemasi ishlaydi.[4] IBM real vaqt kompyuterida shovqin IBM Aer simulyatoriga qaraganda ko‘proq kamaydi. Natijada, Aer simulyatorining shovqin va kubit xatolari IBM real vaqt kompyuteriga qaraganda yuqori. Kvant sxemasini loyihalash va tasvirni qayta ishlash ikkalasi ham qog‘oz oxiridagi ilova bo‘lgan Qiskit dasturlash bilan amalga oshiriladi. Tasvirlar soni ko‘paygan sari shovqin darajasi yanada pasayadi. Tasvir kam sonli kadrlarda ishlaganda shovqin va qubit xatolar ortadi. [1, 12] Ushbu tadqiqotning asosiy maqsadi – klassik tasvirni kvant tasvirga aylantirish jarayonini o‘rganishdir. Klassik kompyuterlar va kvant kompyuterlar orasidagi asosiy farq shundaki, kvant tizimlari qubitlardan foydalanadi, bu esa axborotni qayta ishlash, uzatish va boshqarish usullarini o‘zgartiradi. Klassik tasvirni kvant tasvir ko‘rinishida tasvirlashda, FRQI (Flexible Representation of Quantum Images) algoritmi klassik tasvirlarni kvant holatlariga kodlash usulini namoyish etgan. Bu algoritm kvant mexanikasining superpozitsiya xususiyatidan foydalanib, hisoblash jarayonini samarali amalga oshiradi.[2, 76] Klassik tasvirlarni qayta ishlash (CIMP) uchun aniq va to‘g‘ridan-to‘g‘ri algoritmlar mavjud bo‘lsa-da, kvant tasvirlarni qayta ishlash (QIMP) uchun bunday aniq algoritmlar hali mavjud emas. QIMP operatsiyalarida turli kvant geytlari ishlatiladi, jumladan: CNOT (kontrolli NOT) geyti, X (NOT) geyti, H (Hadamard) geyti va Rotation () geytlaridan kvant tasvirlarni qayta ishlashda keng foydalaniladi. FRQI algoritmi klassik tasvir piksellarini kvant holatlarida ifodalash uchun kvant sxemalaridan foydalanadi. Bu usul kulrang (greyscale) va rangli tasvirlarni kodlashni amalga oshiradi va klassik optimal algoritmlarga qaraganda samaraliroq natijalar beradi. QUALPI (Quantum Algebraic Polar Image) usuli piksellar ma’lumotlarini kvant holatlarida ifodalash uchun qutb koordinatalaridan foydalanadi. Ushbu usul affin o‘zgarishlar (masalan, masshtablash, burish, siljitish) kabi operatsiyalar uchun qo‘llaniladi.[3, 23] NEQR (Novel Enhanced Quantum Representation) tasvirlarni rangli formatda ifodalash uchun ishlatiladi. FRQI (Flexible Representation of Quantum Images) esa kulrang (greyscale) tasvirlarni qayta ishlash uchun qo‘llanadi. Biroq, FRQI keyinchalik NEQR metodlarini o‘zlashtirib, rangli tasvirlarni qayta ishlash imkoniyatiga ega bo‘ldi.[3,34] Biroq, klassik va kvant kompyuterlarni birlashtirish juda murakkab vazifa. Chunki: Klassik kompyuterlar klassik fizika tamoyillariga asoslanadi. Kvant kompyuterlar esa kvant mexanikasi qonunlariga bo‘ysunadi. Shuning uchun ushbu ikki turdagi hisoblash tizimlarini birlashtirish murakkab ilmiy va texnologik muammolarni keltirib chiqaradi. 1-rasm. Klassik kulrang tasvirni kvant tasviriga aylantirish 247 Современные проблемы интеллектуальных систем. Республиканская научно-практическая конференция. Джизак, 18-19 апреля 2025 г. 1-rasmda Klassik tasvirni kvant tasvirga o‘zgartirish jarayoni bir necha bosqichda amalga oshiriladi. Birinchi bosqichda kulrang (greyscale) klassik tasvir tanlanadi va uning piksellar haqidagi ma’lumotlari aniqlanadi. Bu ma’lumotlarga rang kodi, piksel manzili va tasvir doirasi kiradi. Keyingi bosqichda tasvirni olish va tayyorlash (image acquisition) jarayoni amalga oshiriladi.[7, 5] Bunda: - Rang kodlash, - Piksel ma’lumotlari va manzilini aniqlash, - Tasvir doirasini aniqlash kabi jarayonlar bajariladi. Shundan so‘ng, tasvirni oldindan qayta ishlash (image preprocessing) bosqichi boshlanadi. Bunda, keraksiz shov