Avances Recientes en el Enfoque Cuántico del Procesamiento de Imágenes

Los computadores cuánticos se están convirtiendo en una realidad con una carrera entre IBM y Google para intentar ser los primeros en alcanzar la llamada "Supremacía Cuántica". Con este nuevo hardware, pronto disponible, están apareciendo numerosas aplicaciones cuánticas, como la telecomunicación cuántica, y está floreciendo la informática cuántica. Tenemos qubits de espín NV que actúan como memoria RAM cuántica, microprocesador cuántico y canales cuánticos para la comunicación, todo lo que se necesita para realizar el procesamiento de información cuántica.

El Procesamiento Cuántico de la Información se centra en el procesamiento de la información y la computación basados en la mecánica cuántica. Mientras que los computadores digitales actuales codifican los datos en dígitos binarios (bits), los cuánticos no se limitan a dos estados. Codifican la información como bits cuánticos, o qubits, que pueden existir en superposición. Los qubits pueden implementarse con átomos, iones, fotones o electrones y dispositivos de control adecuados que funcionan conjuntamente para actuar como memoria del computador y como procesador. Dado que un computador cuántico puede contener estos estados múltiples simultáneamente, proporcionan un paralelismo inherente. Esto les permitirá resolver ciertos problemas mucho más rápido que cualquier computador clásico utilizando los mejores algoritmos conocidos actualmente, como la factorización de enteros o la simulación de sistemas cuánticos de muchos cuerpos. (Fuente: PicoQuant, Alemania)

El procesamiento cuántico de la información está abriendo un campo de aplicaciones totalmente nuevo, como el procesamiento más rápido de imágenes digitales. De hecho, el procesamiento de imágenes digitales es muy exigente en términos de almacenamiento de datos, transmisión y potencia de procesamiento. La codificación de la información de las imágenes en sistemas mecánicos cuánticos en lugar de los clásicos y la sustitución del procesamiento clásico de la información por el cuántico pueden aliviar algunos de estos retos.

El equipo de investigación dirigido por Xi-Wei Yao y su equipo en China está trabajando en el Procesamiento Cuántico de Imágenes, una subdisciplina emergente que se centra en la ampliación de las tareas y operaciones convencionales de procesamiento de imágenes al marco de la computación cuántica [1]. Ellos han demostrado la viabilidad de un marco para el procesamiento cuántico de imágenes. Al codificar y procesar la información de la imagen en sistemas mecánico-cuánticos, demuestran la eficacia de una codificación cuántica pura de la información de la imagen: los valores de los píxeles se codifican en las amplitudes de probabilidad y las posiciones de los píxeles en los estados base computacionales.

Comparación del procesamiento de imágenes mediante computadores clásicos y cuánticos. F y G son las imágenes de entrada y salida, respectivamente. En el clásico, una imagen M × L puede representarse como una matriz y codificarse con al menos 2n bits. La transformación de la imagen clásica se lleva a cabo mediante el cálculo matricial. En cambio, la misma imagen puede representarse como un estado cuántico y codificarse en n qubits. La transformación cuántica de la imagen se realiza por evolución unitaria bajo un Hamiltoniano adecuado.

Su representación cuántica de la imagen, reduce el número necesario de qubits en comparación con las implementaciones existentes, y presentaron un interesante algoritmo de procesamiento de imágenes que proporciona una velocidad exponencial respecto a sus homólogos clásicos.

Otro equipo de China presentó una visión general de los avances realizados en el procesamiento cuántico de imágenes (QIP) [2]. En particular, se centraron en los recientes avances de las tecnologías de seguridad basadas en el QIP, como el marcado de agua cuántico, el cifrado de imágenes cuántico y la esteganografía de imágenes cuántica. Los objetivos de los debates presentados al final de este estudio son dos. En primer lugar, dirigir a los investigadores que ya están en el área, a algunas de las cuestiones abiertas. El segundo objetivo de la discusión es sobre algunas consideraciones que deberían guiar a los próximos investigadores.

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 [1] https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.7.031041[2] http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0219749917300017