CN114764620B - 一种量子卷积操作器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了量子卷积操作器，所述量子卷积操作器包括：量子态编码模块、量子纠缠模块、量子卷积核模块、测量模块和计算模块；所述量子态编码模块，用于将当前组输入数据编码到量子比特上；所述量子纠缠模块，用于关联所述量子比特的量子态信息；所述量子卷积核模块，用于提取所述量子态信息对应的特征信息；所述测量模块，用于测量预设量子比特的量子态并获得对应的振幅；所述计算模块，用于根据测量的量子态及其振幅，计算所述当前组输入数据对应的卷积结果。利用本发明实施例，能够实现量子计算在卷积神经网络模型领域的应用，以发挥量子计算的并行优势，并补充相关技术的空白。

Description

一种量子卷积操作器
技术领域
本发明属于量子计算技术领域，特别是一种量子卷积操作器。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。
在经典计算机领域，卷积神经网络模型可以用于图像识别、自然语言处理、语音识别等领域，旨在提取图像、语言、语音等信息载体中的特征信息。然而，量子计算的技术如何应用于神经网络模型领域亟需探索解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子卷积操作器，以解决现有技术中的不足，它能够实现量子计算在卷积神经网络模型领域的应用，以发挥量子计算的并行优势，并补充相关技术的空白。
本申请的一个实施例提供了一种量子卷积操作器，所述量子卷积操作器包括：量子态编码模块、量子纠缠模块、量子卷积核模块、测量模块和计算模块；
所述量子态编码模块，用于将当前组输入数据编码到量子比特上；
所述量子纠缠模块，用于关联所述量子比特的量子态信息；
所述量子卷积核模块，用于提取所述量子态信息对应的特征信息；
所述测量模块，用于测量预设量子比特的量子态并获得对应的振幅；
所述计算模块，用于根据测量的量子态及其振幅，计算所述当前组输入数据对应的卷积结果。
可选的，所述量子态编码模块包括：量子逻辑门；所述将当前组输入数据编码到量子比特上，包括：
确定当前组输入数据对应的量子逻辑门中的可变参数值，其中，所述量子逻辑门支持动态修改所述可变参数值。
可选的，所述量子卷积操作器还包括：更新模块，所述更新模块用于根据预设映射关系，更新下一组输入数据对应的量子态编码模块。
可选的，所述根据预设映射关系，更新下一组输入数据对应的量子态编码模块，包括：
根据输入数据与量子态编码线路的预设映射关系，更新下一组输入数据对应的量子态编码线路，得到新的量子态编码线路作为更新后的量子态编码模块。
可选的，所述根据测量的量子态及其振幅，计算所述输入数据对应的卷积结果，包括：
根据测量的量子态及其振幅，计算所述预设量子比特为预设量子态时对应的概率，作为所述当前组输入数据对应的卷积结果。
可选的，在所述量子纠缠模块和/或所述量子卷积核模块包括量子逻辑门的情况下，该量子逻辑门中的可变参数值由预先训练确定。
可选的，所述输入数据包括：图像、自然语言或音频数据。
可选的，所述量子态编码模块包括：量子逻辑门RX门、RY门、RZ门或X门。
可选的，所述量子纠缠模块包括：作用于相邻两个量子比特的CNOT门，其中，最后一个CNOT门作用于最后一位量子比特和第一位量子比特。
可选的，所述量子卷积核模块包括量子逻辑门U3门，其中，所述U3门的酉矩阵为：
其中，所述α,β,γ为角度变量。
与现有技术相比，本发明提供的一种量子卷积操作器，包括：量子态编码模块、量子纠缠模块、量子卷积核模块、测量模块和计算模块；量子态编码模块，用于将当前组输入数据编码到量子比特上；量子纠缠模块，用于关联量子比特的量子态信息；量子卷积核模块，用于提取量子态信息对应的特征信息；测量模块，用于测量预设量子比特的量子态并获得对应的振幅；计算模块，用于根据测量的量子态及其振幅，计算当前组输入数据对应的卷积结果，从而实现量子计算在卷积神经网络模型领域的应用，以发挥量子计算的并行优势，并补充相关技术的空白。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种量子卷积操作器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种量子态编码模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种输入数据与量子态编码线路的预设映射关系示意图；
图4为本发明实施例提供的一种量子纠缠模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种量子卷积核模块的结构示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明实施例首先提供了一种量子卷积操作器，可以应用于电子设备，如计算机终端，具体如普通电脑、量子计算机等。
需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是经典计算机，负责执行经典计算与控制；另一部分是量子设备，负责运行量子程序进而实现量子计算。而量子程序是由量子语言如QRunes语言编写的一串能够在量子计算机上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现量子计算。具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。
在实际应用中，因受限于量子设备硬件的发展，通常需要进行量子计算模拟以验证量子算法、量子应用等等。量子计算模拟即借助普通计算机的资源搭建的虚拟架构(即量子虚拟机)实现特定问题对应的量子程序的模拟运行的过程。通常，需要构建特定问题对应的量子程序。本发明实施例所指量子程序，即是经典语言编写的表征量子比特及其演化的程序，其中与量子计算相关的量子比特、量子逻辑门等等均有相应的经典代码表示。
量子线路作为量子程序的一种体现方式，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。
不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而被操作。
一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，本发明所述量子程序即指该条总的量子线路，其中，该总的量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序可以由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即单个量子逻辑门被执行的时间顺序。
需要说明的是，经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门。使用量子逻辑门，能够使量子态发生演化，量子逻辑门是构成量子线路的基础，量子逻辑门包括单比特量子逻辑门，如Hadamard门(H门，阿达马门)、泡利-X门(X门)、泡利-Y门(Y门)、泡利-Z门(Z门)、RX门、RY门、RZ门等等；两比特或多比特量子逻辑门，如CNOT门、CR门、CZ门、iSWAP门、Toffoli门等等。量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。一般量子逻辑门在量子态上的作用是通过酉矩阵左乘以量子态右矢对应的矩阵进行计算的。
参见图1，图1为本发明实施例提供的一种量子卷积操作器的结构示意图，所述量子卷积操作器可以包括：量子态编码模块101、量子纠缠模块102、量子卷积核模块103、测量模块104和计算模块105；
所述量子态编码模块101，用于将当前组输入数据编码到量子比特上；
具体的，量子态编码模块可以包括：量子逻辑门。将当前组输入数据编码到量子比特上，可以确定当前组输入数据对应的量子逻辑门中的可变参数值，其中，量子逻辑门支持动态修改可变参数值。
示例性的，输入数据包括但不限于：图像、自然语言或音频数据，量子态编码模块包括但不限于：量子逻辑门RX门、RY门、RZ门或X门，其中，RX门、RY门、RZ门可直接支持动态修改可变参数值，X门的酉矩阵为固定参数值。本申请中定义酉矩阵包括可变参数的量子逻辑门，可称为可变量子逻辑门(VariationalQuantumGate，VQG)，即RX门、RY门、RZ门为：VQG＿RX、VQG＿RY、VQG_RZ。
示例性的，图2为一种量子态编码模块的结构示意图。如图2所示，量子线路包括4量子比特，对应4个输入数据，每个量子比特依次包括VQG＿RX、VQG＿RY量子逻辑门操作，量子逻辑门的参数可以为对应输入数据的反正切值或输入数据平方的反正切值，或者参数值＝输入数据*π/2等等。需要说明的是，本申请对量子逻辑门种类、数量以及参数的计算方式并不做限定。
具体的，量子卷积操作器还可以包括：更新模块，更新模块用于根据预设映射关系，更新下一组输入数据对应的量子态编码模块。
在当前组的输入数据完成计算后，量子态编码模块的结构还可以根据输入数据的不同进行更新，然后运行更新后的量子态编码模块，即：将下一组输入数据编码到新的量子态编码模块的量子比特上。例如，可利用基态编码(basisencoding)方法，将下一组输入数据编码到量子比特上。
在实际应用中，可以根据输入数据与量子态编码线路的预设映射关系，更新下一组输入数据对应的量子态编码线路，得到新的量子态编码线路作为更新后的量子态编码模块。
示例性的，图3为一种输入数据与量子态编码线路的预设映射关系示意图。如图3所示，图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为输入数据为0111、0100、0110、0101时对应的量子态编码线路，包括：量子比特q0、q1、q2、q3，以及量子逻辑门RX门、RY门、RZ门和X门。
所述量子纠缠模块102，用于关联所述量子比特的量子态信息；
具体的，量子纠缠模块可以包括：作用于相邻两个量子比特的CNOT门，其中，最后一个CNOT门作用于最后一位量子比特和第一位量子比特。例如，图4所示的一种量子纠缠模块的结构示意图，包括：4个CNOT门，每个CNOT门用图标⊕及其实心连线表示，实心作用的量子比特为控制比特，图标⊕作用的量子比特为受控比特。
所述量子卷积核模块103，用于提取所述量子态信息对应的特征信息；
具体的，量子卷积核模块可以包括量子逻辑门U3门，其中，U3门的酉矩阵为：
其中，α,β,γ为角度变量。例如，图5所示的一种量子卷积核模块的结构示意图，包括：4个可变量子逻辑门VQG＿U3门，每个VQG＿U3门作用一个量子比特，可以动态修改角度变量，避免重复搭建线路造成资源损耗。
所述测量模块104，用于测量预设量子比特的量子态并获得对应的振幅；
具体的，测量模块可以包括量子测量操作Measure，具体可以根据需求设定预设量子比特，例如为第一位量子比特或所有位量子比特。
量子态，即量子比特的逻辑状态。在量子算法(或称量子程序)中，针对量子线路包含的一组量子比特的量子态，采用二进制表示方式，例如，一组量子比特为q1、q2、q3，表示第1位、第2位、第3位量子比特，在二进制表示方式中从高位到低位排序为q2q1q0，该组量子比特对应的量子态共有2的量子比特总数次方个，即8个本征态(确定的状态)：|000>、|001>、|010>、|011>、|100>、|101>、|110>、|111>，每个量子态的位与量子比特对应一致，如|001>态，001从高位到低位对应q3q2q1，|>为狄拉克符号。对于包含N个量子比特q0、q1、…、qn、…、qN-1的量子线路，二进制表示量子态的位阶排序为qN-1qN-2…、q1q0。
以单个量子比特说明，单个量子比特的逻辑状态ψ可能处于|0>态、|1>态、|0>态和|1>态的叠加态(不确定状态)，具体可以表示为ψ＝a|0>+b|1>，其中，a和b为表示量子态振幅(概率幅)的复数，振幅的模的平方表示概率，|a|2、|b|2分别表示逻辑状态是|0>态、|1>态的概率，|a|2+|b|2＝1。简言之，量子态是各本征态组成的叠加态，当其他态的概率为0时，即处于唯一确定的本征态。
所述计算模块105，用于根据测量的量子态及其振幅，计算所述当前组输入数据对应的卷积结果。
具体的，可以根据测量的量子态及其振幅，计算所预设量子比特为预设量子态时对应的概率，作为当前组输入数据对应的卷积结果。
示例性的，可以测量第一位量子比特的|1>态的振幅，计算振幅的模的平方为对对应概率，作为当前组输入数据的卷积结果。或者，测量所有位量子比特假设4位的|1111>态的振幅，计算振幅的模的平方为对应概率，作为当前组输入数据的卷积结果。
具体的，在量子纠缠模块和/或量子卷积核模块包括量子逻辑门的情况下，该量子逻辑门中的可变参数值可以由预先训练确定。
在一种实现方式中，量子卷积操作器的训练方式如下：
接收训练数据集的一组输入数据，将该组输入数据通过量子态编码模块编码到量子比特，并初始化量子纠缠模块和量子卷积核模块中的变量参数值，其中，变量参数值可随机初始化确定，也可根据需求设为固定的初始值；
运行量子卷积操作器，通过测量模块进行测量，根据测量的量子态及其振幅，计算当前组输入数据对应的卷积结果；
将卷积结果与预设期望值进行对比，若卷积结果未达到预设期望值，利用训练算法对变量参数值进行迭代更新，直至确定的卷积结果达到预设期望值，其中，训练算法可以包括：梯度下降法(更具体可以是反向传播算法)、牛顿法、拟牛顿法或共轭梯度法等等；
将包含迭代更新完成的变量参数值的量子卷积操作器，作为训练完成的量子卷积操作器。
可见，本发明提供的一种量子卷积操作器，包括：量子态编码模块、量子纠缠模块、量子卷积核模块、测量模块和计算模块；量子态编码模块，用于将当前组输入数据编码到量子比特上；量子纠缠模块，用于关联量子比特的量子态信息；量子卷积核模块，用于提取量子态信息对应的特征信息；测量模块，用于测量预设量子比特的量子态并获得对应的振幅；计算模块，用于根据测量的量子态及其振幅，计算当前组输入数据对应的卷积结果，从而实现量子计算在卷积神经网络模型领域的应用，以发挥量子计算的并行优势，并补充相关技术的空白。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种量子卷积操作器，其特征在于，所述量子卷积操作器包括：量子态编码模块、量子纠缠模块、量子卷积核模块、测量模块、计算模块和更新模块；
所述量子态编码模块，用于将当前组输入数据编码到量子比特上；
所述量子纠缠模块，用于关联所述量子比特的量子态信息；
所述量子卷积核模块，用于提取所述量子态信息对应的特征信息；
所述测量模块，用于测量预设量子比特的量子态并获得对应的振幅；
所述计算模块，用于根据测量的量子态及其振幅，计算所述当前组输入数据对应的卷积结果；
所述更新模块，用于根据输入数据与量子态编码线路的预设映射关系，更新下一组输入数据对应的量子态编码线路，得到新的量子态编码线路作为更新后的量子态编码模块。
2.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，所述量子态编码模块包括：量子逻辑门；所述将当前组输入数据编码到量子比特上，包括：
确定当前组输入数据对应的量子逻辑门中的可变参数值，其中，所述量子逻辑门支持动态修改所述可变参数值。
3.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，所述根据测量的量子态及其振幅，计算所述输入数据对应的卷积结果，包括：
根据测量的量子态及其振幅，计算所述预设量子比特为预设量子态时对应的概率，作为所述当前组输入数据对应的卷积结果。
4.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，在所述量子纠缠模块和/或所述量子卷积核模块包括量子逻辑门的情况下，该量子逻辑门中的可变参数值由预先训练确定。
5.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，所述输入数据包括：图像、自然语言或音频数据。
6.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，所述量子态编码模块包括：量子逻辑门RX门、RY门、RZ门或X门。
7.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，所述量子纠缠模块包括：作用于相邻两个量子比特的CNOT门，其中，最后一个CNOT门作用于最后一位量子比特和第一位量子比特。
8.根据权利要求1所述的量子卷积操作器，其特征在于，所述量子卷积核模块包括量子逻辑门U3门，其中，所述U3门的酉矩阵为：
其中，所述α,β,γ为角度变量。
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