[發明專利]基于有向無環圖的量子支持向量機的圖像多分類方法

在審

• 申請號: 202011522445.8
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112580725A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 紀卓驍;姜楠;李宏
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06N10/00;G06N20/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

1.基于有向無環圖的量子支持向量機的圖像多分類方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟(1)提取圖像特征值

步驟(2)根據實際問題構建DAG QSVM

對于W分類問題，構建個分類器，按照DAG的構造方式對所有分類器進行排列，構成DAG QSVM；

步驟(3)構建DAG QSVM的量子線路

完整的DAG QSVM量子線路圖由個黑盒、1個合法驗證量子位、個結果表示量子位組成。

步驟(4)執行已經構建好的DAG QSVM量子線路圖

步驟(5)讀取合法量子位

當合法量子位為|0時，直接返回步驟(3)；當合法量子位為|1時，結果量子位有意義，執行步驟(6)

步驟(6)讀取結果量子位。

2.根據權利要求1所述的基于有向無環圖的量子支持向量機的圖像多分類方法，其特征在于：步驟(3)包括黑盒構建和盒外構建兩部分，具體如下：

所述的黑盒構建，即QSVM的封裝，具體如下：

對圖像進行W分類，需要構建個QSVM分類器，每一個QSVM分類器用于實現圖像的二分類，QSVM分類器由QSVM算法模塊、Swap test算法模塊、以及AE算法模塊組成；

其中，QSVM算法模塊用于將圖像特征制備為量子態，并進行訓練，得到超平面量子態；

Swap test算法模塊用于使用超平面量子態與查詢樣本進行運算，得到二分類結果；

AE算法模塊用于將SWAP TEST得到的分類結果從概率提取到基態，便于使用，

QSVM分類器的工作過程為：

QSVM算法模塊將圖像特征制備為量子態，并對輸入的圖像特征進行二分類，然后將QSVM算法輸出結果的量子位輸入Swap test算法模塊，由Swap test算法模塊進行查詢樣本的分類，經過哈達瑪門得到分類結果于量子疊加態：然后由AE算法模塊將概率P提出至新引入的輔助量子位上，得到|P＝|P₀P₁P₂...P_v-1，其中v為AE算法引入的輔助量子位數量，P₀P₁P₂...P_v-1是P的二進制表示；最終，QSVM分類器的輸出接口有兩個，即qubit_n-A和qubit_n-B，qubit_n-A是QSVM算法模塊表示QSVM算法是否輸出結果的量子位，qubit_n-B是AE算法模塊得到的基態的最高位|P₀，表示分類結果的輸出|ans；

所述的盒外構建，用于解決在DAG的構建思想下，個QSVM分類器中每一個被啟動的分類器要如何決定接下來哪一個分類器被啟動；

其中，第n個QSVM分類器U_Zn的盒外構建通過引入四個量子位：qubit_n-A、qubit_n-B、qubit_n-α、qubit_n-β實現三類操作，

其中qubit_n-A是表示第n個QSVM分類器是否輸出分類結果的量子位；

qubit_n-B是第n個QSVM分類器存儲分類結果的量子位；

qubit_n-α表示對應的U_Zn是否需要被啟動；

qubit_n-β用來存儲驗證量子位結果；

所述的三類操作分別是分類操作、合法驗證和傳遞結果，

其中，

所述的分類操作用于實現一個QSVM的構造、訓練、分類過程，具體如下：

qubit_n-α量子位作為控制位，黑盒U_Zn作為靶位；

當qubit_n-α量子位為|1時，編號為n的QSVM分類器U_Zn啟動，否則不啟動；

qubit_n-B儲存當前黑盒U_Zn的分類結果(如果沒被啟動qubit_n-B為|0、如果被啟動qubit_n-B儲存分類結果，即|0或|1。但是因為量子疊加，qubit_n-B會處于量子疊加態)、qubit_n-α儲存當前黑盒U_Zn是否被啟動(也處于量子疊加態)

所述的合法驗證用于判斷分類操作執行后進行觀測時，當前塌縮狀態是否是合法狀態，所述的合法狀態是指對應當前塌縮得到的狀態，每一個被啟動的QSVM，其表示是否輸出分類結果的量子位qubit_n-A均塌縮到了|1上；如果不滿足以上要求，即存在被啟動的QSVM沒有輸出有意義的分類結果，則表當前分類結果無意義，也就是非法狀態。

將qubit_n-A與qubit_n-α作為控制位，qubit_n-β作靶位；

當qubit_n-A與qubit_n-α的狀態為|11時，表示該U_Zn模塊被啟動且在qubit_n-B位上輸出了分類結果，這個是合法狀態；

當qubit_n-A與qubit_n-α的狀態為|00時，表示該U_Zn模塊沒有啟動，qubit_n-A沒有被改變，這也是合法狀態；

對于以上兩種合法情況，qubit_n-β通過量子邏輯門中的非門進行取非操作；

當qubit_n-A與qubit_n-α的狀態為|01時，表示模塊U_Zn被啟動，但是qubit_n-B上沒有輸出分類結果，這是非法狀態；

而qubit_n-A與qubit_n-α不會出現狀態|10，因為在U_Zn模塊不啟動時，qubit_n-A是不會發生改變的，因此該狀態也是非法狀態；

在非法狀態下qubit_n-β不會被取非；

所述的傳遞結果用于實現U_Zn模塊間的通信操作，具體如下：

該操作對于非底層的U_Zn模塊來講是存在的，底層U_Zn模塊沒有這個操作；

在構建DAG后，編號為n的QSVM分類器U_Zn的分類結果會決定編號為p與q的模塊U_Zp與U_Zq是否啟動，那么該傳遞結果的操作將qubit_n-B與qubit_n-α作為控制位，qubit_p-α與qubit_q-α分別作為靶位，

當qubit_n-B與qubit_n-α的狀態為|01時，qubit_p-α取非；

當qubit_n-B與qubit_n-α的狀態為|11時，qubit_q-α取非；

當qubit_n-α為|0時表示該U_Zn沒有啟動，自然不會對其他模塊產生控制效果；

在構建的DAG中，當編號為n的分類器的下一層仍然為分類器時，編號為n的分類器的分類結果會決定下一層的兩個分類器是否啟動，而這兩個分類器的編號定義為p和q。

3.根據權利要求1所述的基于有向無環圖的量子支持向量機的圖像多分類方法，其特征在于：

步驟(1)所述的圖像特征包括但不限于HGB顏色特征、HSV顏色特征、HOG特征、灰度共生矩陣、FAST特征。