背景技术
量子计算是量子力学和计算机科学相结合的产物,量子计算的并行性、叠加性及其测量的不确定性是量子计算机优于经典计算机的根本。
经典小波包变换已经广泛应用于信息处理领域。例如,小波包变换在图像编码、去噪、模式匹配和图像水印等算法中有着重要作用。这暗示着量子小波包变换有可能在量子信息处理领域有着重要作用。
在经典计算中,信息单元用比特(Bit)表示,它只有两个状态:0态或1态。在量子计算中,信息单元用量子比特(Qubit)表示,它有两个基本量子态|0>和|1>,基本量子态简称为基态(Basis State)。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(Superposition),可表示为|ψ>=a|0>+b|1>。其中a和b是两个复数,满足|a|2+|b|2=1,因此也被称为概率幅。
张量积(tensor product)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,它有如下的含义:
假设U是n×n和V是m×m两个复矩阵
那么
假设二个酉矩阵集合为:和中有m个n×n的矩阵, 中有n个m×m的矩阵。扩展的张量积是一个mn×mn的矩阵其中0≤u,v<n,0≤w,z<m。
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。一些基本量子比特门的名称和符号见图1。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=I2,其中U+是U的共轭转置矩阵,I2是单位阵。X(非门)、H(Hadamard门)和Swap(交换门)是三个通用门,很多量子计算书籍对这三个门有详细的说明。是I2的n次张量积。
Pn,m是mn×mn的均匀洗牌置换矩阵,(Pn,m)k,l=δv,z'δz,v',其中k=vn+z,l=v'm+z',0≤v,z'<m,0≤v',z<n,当x≠y,δx,y=0,否者δx,y=1。
和是两个特殊的均匀洗牌置换矩阵,它们的递归方程为:
其中Swap是图1中所示的交换门,的量子实现线路如图2所示,的量子实现线路如图3所示。
由于现有的经典的经典的Haar小波包变换实现电子线路设计的复杂度为O(n2n),比较复杂,没能很好满足那些需要实时响应的应用需求。因此需要设计出复杂度更低的实现线路的方法。
发明内容
本发明提供一种二维量子Haar小波包变换和逆变换实现量子线路设计的方法,解决现有经典的Haar小波包变换实现线路设计的复杂度高的问题。
本发明通过以下技术方案解决上述问题:
本发明充分量子并行性和量子叠加性等量子计算的独特性能,采用扩展的张量积,建立多层量子Haar变换包的迭代公式和相应的量子Haar逆变换的迭代公式,并采用量子线路来实现量子Haar小波包变换和相应的量子Haar小波包逆变换。然后设计出二维量子Haar小波包变换和相应的逆变换的量子线路。
发明的具体设计方案和步骤为:
二维量子Haar小波包变换实现量子线路设计的方法,所述方法将量子计算与经典Haar小波变换技术相结合得到量子Haar小波包变换;把量子Haar小波包变换根据扩展的张量积运算原理进行多层量子Haar小波包变换;根据多层量子Haar小波包变换进行二维多层量子Haar小波包变换得到复杂度为O(n2)的二维多层量子Haar小波包变换的量子线路。
所述多层量子Haar小波包变换设计实现过程为:根据扩展的张量积运算原理设计出多层量子Haar变换包的迭代公式为:
其中是均匀洗牌置换矩阵,H和I2是单量子比特门,是I2的n次张量积,是张量积运算符号,是(k+1)层2n元素的Haar小波包变换,是k层2n-1元素的Haar小波包变换,迭代初始值为:
当k=n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包变换的量子线路,其中,k、n均为正整数;
当1≤k<n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包变换的量子线路,其中,k、n均为正整数。
所述二维多层量子Haar小波包变换的设计实现过程为:根据张量积运算设计出二维多层量子Haar变换的公式为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,1≤k≤min(n-1,m-1),min(n-1,m-1)表示取两个数中的较小值,根据公式(3)设计出复杂度为O(n2)的二维多层量子Haar小波包变换的量子线路。
二维量子Haar小波包逆变换实现量子线路设计的方法,所述方法将量子计算与经典Haar小波变换技术相结合得到量子Haar小波包逆变换;把量子Haar小波包变换根据扩展的张量积运算原理进行多层量子Haar小波包逆变换;根据多层量子Haar小波包逆变换进行二维多层量子Haar小波包变换得到复杂度为O(n2)的二维多层量子Haar小波包逆变换的量子线路。
所述多层量子Haar小波包逆变换的设计实现过程为:根据扩展的张量积运算原理设计出多层量子Haar变换包的迭代公式为:
其中是均匀洗牌置换矩阵,H和I2是图1中单量子比特门,是I2的n次张量积,是张量积运算符号,是(k+1)层2n元素的Haar小波包变换,是k层2n-1元素的Haar小波包变换;
对公式(4)求逆运算,得到多层量子Haar小波包逆变换迭代公式为:
其中是均匀洗牌置换矩阵,H和I2是单量子比特门,是I2的n次张量积,是张量积运算符号,是(k+1)层2n元素的Haar小波包逆变换,是k层2n-1元素的Haar小波包逆变换,迭代初始值为:
当k=n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包逆变换的量子线路,其中,k、n均为正整数。
当1≤k<n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包逆变换的量子线路,其中,k、n均为正整数。
所述二维多层量子Haar小波逆变换的量子线路的设计实现过程为:根据张量积运算设计出二维多层量子Haar变换的公式为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,1≤k≤min(n-1,m-1),min(n-1,m-1)表示取两个数中的较小值,
对公式(7)求逆运算,得到二维多层量子Haar小波包逆变换公式为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,1≤k≤min(n-1,m-1),min(n-1,m-1)表示取两个数中的较小值,根据公式(8)设计出复杂度为O(n2)的二维多层量子Haar小波包逆变换的量子线路。
多层量子Haar小波包变换的量子线路的设计与实现
设是(k+1)层2n元素的Haar小波包变换,是k层2n-1元素的Haar小波包变换,则多层量子Haar小波包变换可定义为:
其中是均匀洗牌置换矩阵,H和I2是图1中单量子比特门,是I2的n次张量积,是张量积运算符号,迭代初始值为:
当k=n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包变换的量子线路如图4所示,其中,k、n均为正整数。
当1≤k<n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包变换的量子线路如图5所示,其中,k、n均为正整数。
为了方便后续二维量子小波包变换的设计,将图4和图5中的量子线路简写成图6中的标记,当k=n-1时,图6中的量子线路与图4中的量子线路等价,当1≤k<n-1时,图6中的量子线路与图5中的量子线路等价。
多层量子Haar小波包逆变换的量子线路的设计与实现
设是(k+1)层2n元素的Haar小波包逆变换,是k层2n-1元素的Haar小波包逆变换,则多层量子Haar小波包逆变换可定义为:
其中是均匀洗牌置换矩阵,H和I2是图1中单量子比特门,是I2的n次张量积,是张量积运算符号,迭代初始值为:
当k=n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包逆变换的量子线路如图7所示,其中,k、n均为正整数。
当1≤k<n-1时,设计出复杂度为O(n2)的多层量子Haar小波包逆变换的量子线路如图8所示,其中,k、n均为正整数。
为了方便后续二维量子小波包逆变换的设计,将图7和图8中的量子线路简写成图9中的标记,当k=n-1时,图9中的量子线路与图7中的量子线路等价,当1≤k<n-1时,图9中的量子线路与图8中的量子线路等价。
二维量子Haar小波包变换的量子线路的设计与实现
令公式(2)中的k=0,得到单层量子Haar小波包变换:
对应的二维单层量子Haar小波包变换为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,量子线路如图10所示。
二维多层量子Haar小波包变换为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,1≤k≤min(n-1,m-1),min(n-1,m-1)表示取两个数中的较小值,量子线路如图11所示。
二维量子Haar小波包逆变换的量子线路的设计与实现
令公式(12)中的k=0,得到单层量子Haar小波包变换:
对应的二维单层量子Haar小波包变换为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,量子线路如图12所示。
二维多层量子Haar小波包变换为:
其中第一维大小为n量子比特,第二维大小为m量子比特,1≤k≤min(n-1,m-1),min(n-1,m-1)表示取两个数中的较小值,量子线路如图13所示。
本发明的优点与效果是:
1、本发明与现有的量子Haar小波包变换实现技术相比,本发明设计了多层量子Haar小波包变换和多层量子Haar小波包逆变换的实现线路,从而构建一个相对完整的量子Haar小波包变换体系。而现有技术只实现了一个n-1层量子Haar小波包变换,本发明是对现有的量子Haar小波包变换实现技术的完善与改进。
2、本发明与经典的Haar小波包变换实现技术相比,本发明利用量子线路实现的量子Haar小波包变换是一种高效的变换方法,本发明设计的量子Haar变换包的实现线路复杂度都是O(n2),而经典的快速Haar小波包变换的实现复杂度为O(2n)。
3、本发明适用于很多实际的信息处理应用领域,例如,图像编码、去噪、模式匹配和图像水印等算法都需要高效的Haar小波包变换,并对量子计算理论完善和应用的推广有重大意义。
附图说明
图1为本发明基本量子门的表示图;
图2为本发明的量子实现线路图;
图3为本发明的量子实现线路图;
图4为本发明n层量子Haar小波包变换的实现线路图;
图5为本发明(k+1)(1≤K<n-1)层量子Haar小波包变换的实现线路图;
图6为本发明(k+1)(1≤K≤n-1)层量子Haar小波包变换的实现线路简图;
图7为本发明n层量子Haar小波包逆变换的实现线路图;
图8为本发明(k+1)(1≤K<n-1)层量子Haar小波包逆变换的实现线路图;
图9为本发明(k+1)(1≤K≤n-1)层量子Haar小波包逆变换的实现线路简图;
图10为本发明二维单层Haar小波包变换的实现线路图;
图11为本发明二维多层Haar小波包变换的实现线路图;
图12为本发明二维单层Haar小波包逆变换的实现线路图;
图13为本发明二维多层Haar小波包逆变换的实现线路图;
图14为本发明3层Haar小波包变换的实现线路图;
图15为本发明3层Haar小波包逆变换的实现线路图;
图16为本发明二维3层Haar小波包变换的实现线路图;
图17为本发明二维3层Haar小波包逆变换的实现线路图。