專利名稱：用于自動(dòng)圖像識(shí)別的系統(tǒng)、方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本系統(tǒng)、方法及裝置涉及在來(lái)自圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的一幅圖像(如面部圖 <象)的自動(dòng)識(shí)別中的一種量子處理器的實(shí)現(xiàn)方式。
背景技術(shù)：
在1936年由Alan Turing描述的圖靈才幾是一種理i侖上的計(jì)算系統(tǒng)。 能夠有效地才莫擬任何其他圖靈沖幾的一臺(tái)圖靈枳4皮稱為通用圖靈片幾 (UTM )。丘奇-圖靈理論陳述了任何實(shí)際的計(jì)算4莫型或者具有一個(gè)UTM 的等效運(yùn)算能力或者具有其運(yùn)算能力的一個(gè)子集。
一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是利用 一種或者多種量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的任何物 理系統(tǒng)。能夠有效地才莫擬任何其他量子計(jì)算機(jī)的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)被稱為 通用量子計(jì)算沖幾(UQC)。
在1981年，Richard P. Feynman提出量子計(jì)算機(jī)能夠比一臺(tái)UTM 更加有效地用于求解某些計(jì)算問(wèn)題，并且因此4吏得丘奇-圖靈理i侖無(wú)效。 例如，參見(jiàn)理i侖物理國(guó)際期刊(1982)第21巻467-488頁(yè)，F(xiàn)eynman R. P.的"Simulating Physics with Computers"。 侈寸^口, Feynman才旨出 一 臺(tái)量子計(jì)算才幾能夠-故用于才莫擬某些其他量子系統(tǒng)，從而允許所才莫擬的量子系統(tǒng) 與使用一臺(tái)UTM所可能的情況相比成指數(shù)級(jí)地更快地計(jì)算某些特性。
量子計(jì)算的途徑
對(duì)于量子計(jì)算才幾的i殳計(jì)及運(yùn)作存在幾種通用的途徑。這種途徑之一
是量子計(jì)算的"電路模型"。在這種途徑中，通過(guò)多個(gè)邏輯門序列對(duì)量子 位起作用，這些邏輯門序列是一種算法的已編排的代表。電路模型量子
計(jì)算才幾對(duì)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式有幾種嚴(yán)重的障礙。在該電路才莫型中，所要求 的是多個(gè)量子位在比單一 門時(shí)間長(zhǎng)得多的時(shí)間周期上保持相干。這種要 求的出現(xiàn)是因?yàn)殡娐纺Ｐ土孔佑?jì)算機(jī)要求被統(tǒng)稱為量子誤差校正的運(yùn)作 來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。在沒(méi)有電路模型量子計(jì)算機(jī)的這些量子位能夠在單一門時(shí)
間的IOOO倍數(shù)量級(jí)的時(shí)間周期上保持量子相干時(shí)，就不能夠進(jìn)行量子誤 差校正。大量研究工作一直集中于開(kāi)發(fā)具有足以形成電路模型量子計(jì)算 機(jī)的基本信息單元的相干性的量子位。例如，參見(jiàn) arXiv.org:quant-ph/0005003 (2001)第1-27頁(yè)，Shor， P. W.的"Introduction to Quantum Algorithms".本4貞i或仍然受阻于不能夠〗吏量子^立的相干性^是高 到用于設(shè)計(jì)并運(yùn)行實(shí)際電贈(zèng)4莫型量子計(jì)算機(jī)的可接受的水準(zhǔn)。
量子計(jì)算的另 一個(gè)途徑涉及將多個(gè)耦合的量子系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)的 自然物理演算用作一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。該途徑并不是關(guān)鍵性地利用量子門與 量子電路。相反，從一個(gè)已知的初始化哈密爾頓算子開(kāi)始，它依賴于多 個(gè)耦合的量子系統(tǒng)的 一種系統(tǒng)的#:引導(dǎo)的物理演算，其中有4寺解決的問(wèn) 題已按該系統(tǒng)的哈密爾頓算子進(jìn)4亍編碼，這樣4吏得耦合的量子系統(tǒng)的該 系統(tǒng)的最終狀態(tài)包含了與有待解決的問(wèn)題的答案相關(guān)的信息。該途徑并 不要求長(zhǎng)的量子位相干時(shí)間。此類途徑的實(shí)例包括絕熱量子計(jì)算、群集-狀態(tài)量子計(jì)算、單向量子計(jì)算、量子退火及經(jīng)典退火，并且在如 arXiv.org:quant-ph/0201031 (2002)第1-16頁(yè)，F(xiàn)arhi, E.等人的"Quantum Adiabatic Evolution Algorithms versus Simulated Annealing"中進(jìn)行了描 述。量子位
如前所述，量子位能被用作用于量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元。如同
在UTM中的位一樣，量子位可以指至少兩個(gè)完全不同的量值； 一個(gè)量 子位可以指在其中存4諸信息的 一個(gè)實(shí)際的物理裝置，并且它還可以指從 其物理裝置抽象出的信息單位本身。量子位的實(shí)例包括量子粒子、原子、 電子、光子、離子、等等。
量子位推廣了 一個(gè)經(jīng)典數(shù)字位的概念。 一個(gè)經(jīng)典的信息存儲(chǔ)裝置能 夠?qū)蓚€(gè)離散的狀態(tài)進(jìn)行編碼，這兩種離散的狀態(tài)典型地^皮標(biāo)記為"0" 和"1"。這兩個(gè)離散的狀態(tài)在物理上由該經(jīng)典的信息存4諸裝置的兩個(gè)不同 的并可區(qū)別的物理狀態(tài)來(lái)代表，如;茲場(chǎng)、電流或電壓的方向或強(qiáng)度，其 中對(duì)該位的狀態(tài)進(jìn)行編碼的量值才艮據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的定4聿來(lái)表現(xiàn)。 一個(gè)量 子位也包含兩個(gè)離散的物理狀態(tài)，它們也可被標(biāo)記為"O"和"l"。這兩個(gè) 離散狀態(tài)在物理上是由量子信息存儲(chǔ)裝置的兩個(gè)不同的并可區(qū)別的物理 狀態(tài)來(lái)代表，如》茲場(chǎng)、電流或者電壓的方向或強(qiáng)度，其中對(duì)該位的狀態(tài) 進(jìn)行編碼的量值根據(jù)量子物理學(xué)的定律來(lái)表現(xiàn)。如果存儲(chǔ)這些狀態(tài)的物 理量值按量子力學(xué)方式來(lái)表現(xiàn)，則該裝置能夠額外地;故置于一種0和1 的疊加中。也就是說(shuō)，該量子位能夠同時(shí)存在于"0"和"1"的狀態(tài)中，并 且因此能夠?qū)蓚€(gè)狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行一個(gè)計(jì)算?？傊?，N個(gè)量子位能夠處于 2N個(gè)狀態(tài)的疊加之中。量子算法利用了該疊加特性來(lái)加速某些計(jì)算。
在標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記法中， 一個(gè)量子位的基本狀態(tài)被稱為|0〉與|1〉狀態(tài)。在 量子計(jì)算的過(guò)程中， 一個(gè)量子位的狀態(tài)總體上是多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的一種疊 加，這樣該量子位具有占據(jù)該|0〉基礎(chǔ)狀態(tài)的一個(gè)非零扭無(wú)率以及占據(jù)該|1〉 基礎(chǔ)狀態(tài)的一個(gè)同時(shí)的非零概率。在數(shù)學(xué)上，多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的疊加是指
該量子位的整體狀態(tài)(它用l甲〉來(lái)代表)具有l(wèi)"-一G〉 + ^〉的形式，其中 o和6分別是對(duì)應(yīng)于概率l"l2與問(wèn)2的系數(shù)。系數(shù)a和6各自具有實(shí)部與虛 部，這就允許該量子位的相位纟皮表征出。 一個(gè)量子位的量子性質(zhì)在4艮大 程度上是,人其在多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的一種相干疊加中存在并且^吏該量子^立的 狀態(tài)具有一個(gè)相位的能力中衍生出來(lái)的。當(dāng) 一個(gè)量子位與脫散源充分地隔離開(kāi)時(shí)，該量子位將保持這種作為多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的一種相干疊加而存 在的能力。
為了^f吏用一個(gè)量子位來(lái)完成一個(gè)計(jì)算，對(duì)該量子位的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量 (即，讀出)。典型地，當(dāng)進(jìn)行該量子位的測(cè)量時(shí)，該量子位的量子性質(zhì) 暫時(shí)瓦解并且多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的疊加縮減為|0〉基礎(chǔ)狀態(tài)或| 1〉基礎(chǔ)狀態(tài)，并 因此重新獲得它與 一個(gè)常規(guī)位的相似性。該量子位在它瓦解以后的實(shí)際
狀態(tài)直接取決于在該讀出運(yùn)作之前的和克率lal2和iz i2。
超導(dǎo)量子位
人們?cè)诳紤]將多種不同的硬件和軟件途徑用于量子計(jì)算機(jī)中。 一種 石更件途徑使用超導(dǎo)材津牛(如鋁或者鈮)形成的集成電3各。設(shè)計(jì)和制造超 導(dǎo)集成電路所涉及的技術(shù)和工藝在某些方面與用于常規(guī)集成電路的技術(shù) 和工藝相似。
超導(dǎo)量子位是可以包括在一個(gè)超導(dǎo)集成電3各中的一種類型的超導(dǎo) 裝置。例如，典型的超導(dǎo)量子位具有可拓展性的優(yōu)點(diǎn)，并且總體上才艮據(jù) 物理性能而被分類，用于對(duì)信息進(jìn)行編碼的這些物理性能包括(例如) 電荷與相位裝置、相位或通量裝置、混合裝置、等等。根據(jù)用于對(duì)信息
進(jìn);f亍編石馬的物理性能，超導(dǎo)量子^立可以#:分為幾個(gè)類別。例力o，它們可 以被分為電荷裝置、通量裝置與相位裝置，如Makhlin等人2001年在 Reviews of Modem Physics 73第357-400頁(yè)中所討^侖的。電荷裝置在該裝 置的電荷狀態(tài)中對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)并操作，其中基本電荷由稱為庫(kù)珀對(duì)的 電子7于構(gòu)成。 一個(gè)庫(kù)珀對(duì)具有的電荷并且由兩個(gè)電子構(gòu)成，這兩個(gè)電 子由(例如) 一個(gè)聲子相互作用連接在一起。參見(jiàn)例如劍橋大學(xué)出版社 的劍橋(2000 )第343-345頁(yè)，Nielsen與Chuang的g"aw化m Compwto"ow am/gwm ^m /"/om7a"o"。通量裝置在與通過(guò)i亥裝置的某個(gè)部分的^茲通量 相關(guān)的一個(gè)變量?jī)?nèi)存儲(chǔ)信息。相位裝置在與該相位裝置的兩個(gè)區(qū)域之間 的超導(dǎo)相位差相關(guān)的一個(gè)變量?jī)?nèi)存儲(chǔ)信息。近來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了使用兩種或 更多種電荷、通量與相位自由度的混合裝置。例如，參見(jiàn)美國(guó)專利號(hào) 6,838,694以及美國(guó)專利號(hào)7,335,909?？墒褂玫耐苛孔游坏膶?shí)例包括rf-SQUID，它們包括由一個(gè)約瑟夫 遜節(jié)或一個(gè)復(fù)合結(jié)(其中 一個(gè)單獨(dú)的約瑟夫遜節(jié)由兩個(gè)并聯(lián)的約瑟夫遜 節(jié)取代)間斷的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路；或者持續(xù)電流量子位，這些持續(xù)電流量 子位包4舌由三個(gè)約瑟夫遜節(jié)間斷的 一個(gè)超導(dǎo)環(huán)3各；以及類似的量子位。 例如，參見(jiàn)1999年Mooij等人在Sc/e騰上的285, 1036，以及1999年 Orlando等人在戶/^s. Wev. B上的60, 15398。超導(dǎo)量子位的其他實(shí)例可以 在^口2003年H，ichev等人在尸/y^. i ev.丄e".上6勺91， 097906; 2001年Blatter 等人在尸/7". Aev. B上的63， 174511以及2000年Friedman等人在iVamre 上的406， 43中找到。此外，還可以使用混合電荷-相位量子位。
這些量子位可以包括一個(gè)對(duì)應(yīng)的局部偏置器件。這些局部偏置器件 可以包括與一個(gè)超導(dǎo)量子位4妾近的一個(gè)金屬環(huán)路，該金屬環(huán)路為該量子 位^提供一個(gè)外部通量偏置。該局部偏置器件也可以包括多個(gè)約瑟夫遜節(jié)。 在量子處理器中的每個(gè)超導(dǎo)量子位可以具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的局部偏置器件， 或者可以存在少于量子位的局部偏置器件。在某些實(shí)施方案中，可以使 用基于電荷的讀出和局部偏置器件。這個(gè)或這些讀出裝置可以包括多個(gè) dc-SQUID ;茲強(qiáng)計(jì)，各自電感性地連接到一個(gè)拓樸結(jié)構(gòu)內(nèi) 一個(gè)不同的量子 位上。該讀出裝置可以提供一個(gè)電壓或電流。包括由至少一個(gè)約瑟夫遜 節(jié)間斷的 一個(gè)超導(dǎo)材料環(huán)路的這些dc-SQUID石茲強(qiáng)計(jì)在本領(lǐng)域中是公知 的。
有效的量子位
遍及該說(shuō)明書以及所附的權(quán)利要求書，術(shù)語(yǔ)"有效的量子位"與"多個(gè) 有效的量子位，，用于指代可以代表為一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)的一個(gè)量子系統(tǒng)。在 相關(guān)領(lǐng)域的4支術(shù)人員應(yīng)理解兩個(gè)特定的能級(jí)可與一個(gè)多能級(jí)量子系統(tǒng)隔 離并且被用作一個(gè)有效的量子位。此外，術(shù)語(yǔ)"有效的量子位"與"多個(gè)有 效的量子位1皮用于指代包括任何數(shù)目的器件的一個(gè)量子系統(tǒng)，這些器件 可用于^表一個(gè)單一的二能級(jí)系統(tǒng)。例如，多個(gè)單獨(dú)的量子位可^皮4禺合 在一起，其方式為使所耦合的量子位的整個(gè)組或其一部分代表一個(gè)單一 的二能級(jí)系統(tǒng)。
10量子處理器
一個(gè)計(jì)算^L處理器可以采取一種;f莫擬處理器的形式，例如一種量子 處理器(如一種超導(dǎo)量子處理器)。 一個(gè)超導(dǎo)量子處理器可以包括多個(gè)量 子位以及多個(gè)相關(guān)耳關(guān)的局部偏置器件，例如兩個(gè)或更多個(gè)超導(dǎo)量子位。 可與本系統(tǒng)、方法及裝置一起使用的示例性的量子處理器的進(jìn)一步細(xì)節(jié)
和實(shí)施方案#皮描述于美國(guó)專利/>開(kāi)號(hào)2006-0225165、美國(guó)專利申請(qǐng)序列 號(hào)12/013,192以及于2007年11月8日4是交的發(fā)明名稱為"Systems, Devices and Methods for Analog Processing"的美國(guó)臨時(shí)專矛J申"i青序列號(hào) 60/986,554之中。
一個(gè)超導(dǎo)量子處理器可以包括多個(gè)耦合器件，這些耦合器件可以操:
作以i^更選4奪性地耦合對(duì)應(yīng)的量子位對(duì)。超導(dǎo)耦合器件的實(shí)例包括「 rf-SQUID和dc-SQUID，這些裝置通過(guò)通量將多個(gè)量子位耦合到一起。 SQUID包括由一個(gè)約瑟夫遜節(jié)( 一個(gè)rf-SQUID )或兩個(gè)約瑟夫遜節(jié)(一 個(gè)dc-SQUID )間斷的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)i 各。這些耦合器件也i午能夠同時(shí)鐵磁性 地及反鐵磁性地耦合，這取決于在該互連拓樸結(jié)構(gòu)內(nèi)如何使用該耦合器 件。在通量耦合的情況中，鐵^磁耦合意味著并聯(lián)通量在能量上是有利的， 而反4失^茲耦合意p木著反并耳關(guān)通量在能量上是有利的。可替代地，也可以 使用基于電荷的耦合器件。其他耦合器件可在如美國(guó)專利公開(kāi)號(hào) 2006-0147154以及美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/017,995中找到。例如，這些 耦合器件的對(duì)應(yīng)耦合強(qiáng)度可以在0與一個(gè)最大值之間調(diào)節(jié)，以便在量子 位之間提供鐵磁或反鐵磁耦合。
量子退火
量子退火是一種計(jì)算方法，該方法可被用于找出一個(gè)系統(tǒng)的低能狀 態(tài)，典型地優(yōu)選是接地狀態(tài)。與經(jīng)典的退火概念類似，該方法依賴的基 本原理在于低能狀態(tài)是更為穩(wěn)定所以自然系統(tǒng)趨向于低能狀態(tài)。然而， 即使經(jīng)典退火使用經(jīng)典的熱波動(dòng)將 一 個(gè)系統(tǒng)引導(dǎo)到它的全局能量最小 值，但量子退火也可使用自然的量子波動(dòng)(如量子隧道作用)以便更精 確或更快速地達(dá)到一個(gè)全局能量最小值。已知的是對(duì)于一個(gè)難題(例如組合優(yōu)化問(wèn)題)的解可被編碼到一個(gè)系統(tǒng)的接地狀態(tài)中并且因此量子退 火可被用于尋找此類難題的解。
絕熱量子計(jì)算
如前文所纟是及，絕熱量子計(jì)算典型地涉及通過(guò)逐漸改變P合密爾頓算 子來(lái)將一個(gè)系統(tǒng)從一個(gè)已知的初始哈密爾頓算子(該哈密爾頓算子是一 個(gè)運(yùn)算符，它的本征值是該系統(tǒng)的允許的能量)演算到一個(gè)最終的哈密 爾頓算子。 一個(gè)絕熱演算的筒單實(shí)例是
//e =(1 —
其中^是初始哈密爾頓算子，^是最終哈爾頓算子，^是演算或 瞬態(tài)哈密爾頓算子，并且S是控制演算速率的一個(gè)演算系數(shù)。該系數(shù)S
從0至1，這樣在演算過(guò)程的開(kāi)始時(shí)該演算^^合密爾頓算子等于初始"^合密 爾頓算子，而在該過(guò)程的結(jié)束該演算哈密爾頓算子等于最終哈密爾頓算 子。如果該演算太快，則該系統(tǒng)能夠被激發(fā)到一個(gè)較高狀態(tài)，例如第一 受激狀態(tài)。在本系統(tǒng)、方法及裝置中，"絕熱"演算被認(rèn)為為是滿足絕熱 條件的演算，其中該絕熱條件被代表為
il〈ll眠/cfel?！?|=<%20)
其中^是s的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，gO)是作為s的一個(gè)函數(shù)的該系統(tǒng)的接地 狀態(tài)與第一受激狀態(tài)之間的能量差異(在此還被稱為"空隙大小")，并且 S是遠(yuǎn)小于1的一個(gè)系凄史。
在絕熱量子計(jì)算中的演算過(guò)程有時(shí)可被稱為退火。^變化的速率(有 時(shí)4皮稱為演算或退火進(jìn)度)通常是恒定的并且是足夠地慢以4吏該系統(tǒng)在 演算過(guò)程中總是處于演算哈密爾頓算子的瞬態(tài)接地狀態(tài)中，并且避免了 在反交叉時(shí)(即，當(dāng)該空隙大小是最小的時(shí)候)的轉(zhuǎn)變。在美國(guó)專利號(hào) 7,135,701中描述了關(guān)于絕熱量子計(jì)算系統(tǒng)、方法及裝置的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。絕熱量子計(jì)算是量子退火的一種特殊情況，對(duì)于量子退火該系統(tǒng)在 整個(gè)演算期間開(kāi)始于并保持在它的^妄地狀態(tài)中。因此，在本領(lǐng)域中的^支
術(shù)人員應(yīng)理解量子退火方法總體上可在一臺(tái)絕熱量子計(jì)算才幾上實(shí)現(xiàn)，反
之亦然。遍及本說(shuō)明書，術(shù)語(yǔ)"絕熱量子計(jì)算機(jī)"被用于描述一種計(jì)算系
統(tǒng)，該計(jì)算系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為進(jìn)行絕熱量子計(jì)算和/或量子退火。
優(yōu)化問(wèn)題
優(yōu)化問(wèn)題是這樣一些問(wèn)題，對(duì)它們?cè)谝粋€(gè)變量的集上使一個(gè)或者多 個(gè)目標(biāo)函數(shù)最小化或者最大化，有時(shí)要服從一個(gè)限制條件的集合。例如， 推銷員旅行問(wèn)題("TSP")是一種優(yōu)化問(wèn)題，其中代表如距離或者成本的 一個(gè)目標(biāo)函數(shù)必須被優(yōu)化以找出 一種旅行3各線，這^皮編碼到 一個(gè)代表該 問(wèn)題的優(yōu)化解的變量的集合中。例如，給定一個(gè)地點(diǎn)的清單，該問(wèn)題可 包括對(duì)所有地點(diǎn)只訪問(wèn) 一次的最短路徑。優(yōu)化問(wèn)題的其他實(shí)例包括最大
獨(dú)立集(MIS )、整數(shù)編程、約束條件優(yōu)化、因式分解、預(yù)報(bào)模型以及k-SAT。 這些問(wèn)題是許多真實(shí)世界的優(yōu)化問(wèn)題的抽象，例如運(yùn)算研究、金融資產(chǎn) 組合選才奪、計(jì)劃制定、供給管理、電路-沒(méi)計(jì)、以及旅行路線優(yōu)化。4艮多 大規(guī)模的基于決策的優(yōu)化問(wèn)題是NP-難題。例如，參見(jiàn)2000年 e-Optimization.com上的"爿//z.g/z-丄eve/丄ooA: W 0/ "m/zor"o":尸os厶/Vese"( 朋c Fw化W 。
很多優(yōu)化問(wèn)題使用UTM是不能求解的。因?yàn)檫@種制約，在本領(lǐng)域 中存在對(duì)于能夠解決超出UTM的范圍的計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算裝置的需要。 經(jīng)典的數(shù)字計(jì)算機(jī)普遍被認(rèn)為不能超過(guò)UTM的能力，并且由此受制于 經(jīng)典計(jì)算的局限性，這些局限性在問(wèn)題的大小與解題時(shí)間之間施加了不 利的比例。根據(jù)本系統(tǒng)、方法及裝置，可采用量子絕熱算法來(lái)得到對(duì)于 這些問(wèn)題的比用經(jīng)典優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)的情況要更好的解。
圖形的嵌入
圖形是代表多個(gè)實(shí)體之間關(guān)系的 一種有效方式，并且常用于例如經(jīng) 濟(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及社會(huì)科會(huì)的領(lǐng)域中。即4吏某些圖形<又-波用作為一種視覺(jué)輔助，但其他的圖形可被用于代表一個(gè)有待解決的問(wèn)題。事 實(shí)上，將一個(gè)問(wèn)題映射為圖形的形式有時(shí)能夠幫助解決該問(wèn)題有。此類 問(wèn)題的例子包括股票資產(chǎn)組合選擇、孩i波i荅的布局、配送線^各優(yōu)化以及 其他大規(guī)模的問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)可用于通過(guò)將原始問(wèn)題轉(zhuǎn)化為量子計(jì)算 機(jī)能夠解決的形式來(lái)解決此類問(wèn)題。做到這一點(diǎn)的一種方法是通過(guò)圖形 的嵌入，其中由 一組頂點(diǎn)以及連接不同頂點(diǎn)的 一組邊所組成的、代表一 個(gè)有待解決的問(wèn)題的一個(gè)圖形^皮映射到一個(gè)量子處理器的量子位結(jié)構(gòu)中 并且然后得到解決。
圖形的嵌入涉及通過(guò)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)或頂點(diǎn)映射到在一個(gè)平面上的一 個(gè)點(diǎn)上并且將每條邊映射到連"^妄兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的一條直線或曲線上來(lái)定義一 個(gè)圖形的具體圖樣。該圖樣不是唯一的，因?yàn)榭纱嬖谕粓D形的許多排 列。能夠?qū)D形嵌入的方式的數(shù)目取決于這些圖形被繪制于之上的格柵 系統(tǒng)的特性及規(guī)則。例如， 一個(gè)檔"敗系統(tǒng)可以是一個(gè)二維棚-才各。這些邊
可例如纟皮限制在兩個(gè)相互正交的方向(例:^，上下或左右)上。這才羊的 一個(gè)格柵系統(tǒng)具有的連通性為4,意p未著每個(gè)節(jié)點(diǎn)可有最多四條與之相 連的邊，這些邊僅在以上提及的方向上延伸。在一個(gè)類似的格柵系統(tǒng)中 多個(gè)邊還能對(duì)角地延伸(例如，以45。對(duì)角地延伸)并且它們能夠交叉， 它具有的連通性為8。圖形嵌入的一種形式涉及一夸纟會(huì)制在一個(gè)祐4冊(cè)系統(tǒng) 上的 一個(gè)圖形取出并且在另 一個(gè)格4冊(cè)系統(tǒng)上繪制 一個(gè)等效的圖形。
能夠嵌入的圖形可分為兩種類型平面的與非平面的。平面的圖形 是能夠嵌在一個(gè)二維平面上的圖形，使得沒(méi)有兩條邊相交。 一個(gè)非平面 圖形是其中至少有兩條邊相交的圖形。圖形嵌入的某些形式涉及將一個(gè) 平面圖形嵌入到一個(gè)非平面圖形中或者嘗試使一個(gè)非平面圖形盡可能地 平面化，即，通過(guò)減少交叉點(diǎn)的數(shù)目。然而，某些非平面圖形不能^皮嵌 入到一個(gè)平面圖形中。此類圖形最著名的實(shí)例是圖形K5以及K(3， 3)。 在2004年Boyer等人的Jow""/ q/"G"ra/ /z j/gw欣慰y4/ / //ca"<my 8第 241 -273頁(yè)中能夠找到關(guān)于非平面圖形以及它們的嵌入的更多信息。
Knysh等人2005年在arXiv.org:quant-ph/0511131中描述了將圖形嵌 入到多個(gè)量子位的柵格中的一種技術(shù)。Knysh描述了將NP完全問(wèn)題映射到量子位的柵格中并且進(jìn)行絕熱量子計(jì)算以解決該問(wèn)題的 一種技術(shù)。
然而，Knysh使用了量子位之間的恒定耦合以及僅僅是最鄰近的耦合， 二者均減少了該嵌入以及后續(xù)計(jì)算的靈活性與效率。
在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/932,248中描述了將圖形嵌入到量子位的 柵才各中的進(jìn)一步的技術(shù)。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)
許多實(shí)體釆用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)信息。這種信息可以與生意、政府 或個(gè)人的幾乎任何方面有關(guān)。例如，這種信息可以涉及人力資源、運(yùn)輸、 下訂單或收取定單、倉(cāng)貯、配送、預(yù)算、石油勘探、勘測(cè)、輪詢、圖像、 i也理圖、網(wǎng)《各拓樸、識(shí)別、和/或4呆安。
存在許多可替代的對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索的技術(shù)，但大多數(shù)途徑典型地 采用一種或多種查詢的準(zhǔn)備。例如，在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/932,261 中描述了一種4支術(shù)，其中將一個(gè)查詢建立成由多個(gè)節(jié)點(diǎn)與邊構(gòu)成的一個(gè) 圖形的形式。在這種技術(shù)中，將該數(shù)據(jù)庫(kù)中的這些條目用于生成多個(gè)數(shù) 據(jù)庫(kù)圖形，并且每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖形與該查詢圖形結(jié)合以產(chǎn)生一組關(guān)聯(lián)圖形。 然后可將一個(gè)關(guān)聯(lián)圖形用于對(duì)該查詢圖形與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖形之間的關(guān) 系進(jìn)行評(píng)估。在某些實(shí)施方案中， 一個(gè)關(guān)聯(lián)圖形;陂嵌入到包括一組量子 位的一個(gè)量子處理器上，其中該關(guān)^:圖形的多個(gè)頂點(diǎn)是由多個(gè)量子位來(lái) 代表，并且該關(guān)聯(lián)圖形的多個(gè)邊是由多個(gè)量子位之間的耦合器件來(lái)代表。 這些量子位與耦合器件可以是超導(dǎo)器件。〗吏用該量子處理器可以將對(duì)應(yīng)
于該關(guān)^:圖形的查詢作為一個(gè)分團(tuán)問(wèn)題來(lái)求解。例如，該量子處理器可
以從一個(gè)第一或"初始，，狀態(tài)演算到一個(gè)第二或"最終"狀態(tài)，使該最終狀 態(tài)代表該關(guān)聯(lián)圖形的 一個(gè)任意團(tuán)，或者可替代地代表該關(guān)聯(lián)圖形的 一個(gè) 極大團(tuán)或一個(gè)最大團(tuán)。在某些實(shí)施方案中，該查詢最好是由所對(duì)應(yīng)的關(guān) 聯(lián)圖形產(chǎn)生了最大的最大團(tuán)的那個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖形來(lái)完成。彈.l"生束圖形匹配
彈性束圖形匹配(EBGM)是在具有許多獨(dú)特面部圖像的一個(gè)數(shù)據(jù)
庫(kù)中用于識(shí)別出單個(gè)人的面孔的一種系統(tǒng)。確切地i兌，EBGM是一個(gè)過(guò) 程，通過(guò)該過(guò)程對(duì)人的面部的圖像進(jìn)行分析并且生成一個(gè)標(biāo)記的圖形表 示。所標(biāo)記的圖形表示由多個(gè)節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)邊組成并且被稱為圖像的圖 形。該圖形的這些節(jié)點(diǎn)代表在面部上的不同"基準(zhǔn)，，點(diǎn)(例如眼、鼻與嘴) 并且這些節(jié)點(diǎn)由幾組被稱為"小波系數(shù)(jets)"的Gabor小波分量進(jìn)行加 權(quán)。該圖形的這些邊代表在多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間的關(guān)系并且這些邊是用多個(gè) 二維3巨離矢量來(lái)標(biāo)i己的。在通過(guò)EBGM自動(dòng)生成一個(gè)圖l象的圖形之后， 可通過(guò)將一個(gè)查詢圖像的圖像圖形與在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有圖像的對(duì)應(yīng) 的圖像圖形進(jìn)行比較來(lái)完成面部識(shí)別。
在EBGM中一幅圖像圖形的自動(dòng)生成是通過(guò)將該面部圖像與一幅 廣義化的"束"圖形對(duì)齊來(lái)完成。該束圖形實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模型格柵，對(duì)于 該才莫型格柵用一組(或"一束")多個(gè)小波系數(shù)而不是一個(gè)特定的小波系 數(shù)來(lái)標(biāo)記每個(gè)單獨(dú)的基準(zhǔn)點(diǎn)。該束圖形重疊在該面部圖像上并且將最佳 地代表了在圖像中的每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的小波系數(shù)識(shí)別出。因此該束圖形起到 了一個(gè)組合的實(shí)體的作用，如同一個(gè)可才莫制的面具。在該束圖形中的多 個(gè)邊是足夠彈性的以使所得到的圖像圖形可更好地與該特定的面部圖像 相適配。最初時(shí)， 一個(gè)束圖形4皮手動(dòng)i也定義并且隨著越來(lái)越多的面部圖 像被合并到該束中它增加了可適配性與精度。在1997年IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence的19(7):775-779
找到關(guān)于EBGM的過(guò)程的更為詳細(xì)的描述。 一個(gè)重點(diǎn)在于EBGM精度 的增長(zhǎng)要求計(jì)算工作量的增加。例如，通過(guò)增加在一個(gè)束圖形中基準(zhǔn)點(diǎn) 的數(shù)目可得到更高的精度。然而，這樣的增長(zhǎng)將要求在EBGM映射圖生 成階段中有更大的計(jì)算工作量并且導(dǎo)致包括大量節(jié)點(diǎn)與邊的一個(gè)圖像圖 形。當(dāng)將這樣一個(gè)專支大的圖像圖與數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有其他圖像圖進(jìn)行比較 時(shí)，該圖像圖形在識(shí)別階段的過(guò)程中要求更多的計(jì)算工作量。這樣，用于自動(dòng)面部匹配的目前這些技術(shù)或者不產(chǎn)生令人希望的精度水平或者是它們的速度過(guò)慢。
圖^f象匹配的問(wèn)題是特別適合于在此類量子處理器上來(lái)解決。目前實(shí)際運(yùn)用的圖像識(shí)別技術(shù)受限于它們的精度并且總體上是相當(dāng)慢的。識(shí)別精度取決于圖形表示的精度，圖形表示本身最終取決于所識(shí)別的圖像特征的數(shù)目。傳統(tǒng)上，結(jié)合更大數(shù)目的圖像特征的嘗試導(dǎo)致在識(shí)別過(guò)程中在計(jì)算上是消耗性的圖形表示。因此，典型地對(duì)某種精度措施進(jìn)行折衷以適應(yīng)可掌控的計(jì)算時(shí)間。通過(guò)在一個(gè)量子處理器上進(jìn)4于識(shí)別過(guò)程，與傳統(tǒng)方法相比能夠以更高精度和/或更快地得到識(shí)別結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
至少 一 個(gè)實(shí)施方案可#皮歸納作為對(duì)圖傳_數(shù)據(jù)庫(kù)中的多個(gè)查詢圖 <象的特征進(jìn)行識(shí)別的一種計(jì)算才幾實(shí)施的方法，包括將一幅查詢圖Y象的至少一個(gè)特征的圖形表示與 一個(gè)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的多幅數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的至少 一些中的每一 幅的至少 一部分的對(duì)應(yīng)圖形表示進(jìn)行比較，其中每次比較包括生
成一幅對(duì)應(yīng)的關(guān)Jf關(guān)圖形；并且通過(guò)一個(gè)量子處理器確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少 一個(gè)特性，其中每一關(guān)聯(lián)圖形的該至少 一個(gè)特性代表在該查詢圖像的至少 一個(gè)特4正與該關(guān)耳關(guān)圖形相應(yīng)的對(duì)應(yīng)凄t據(jù)庫(kù)圖i"象的至少該部分之間的一種才目如乂'l"生。
該方法可進(jìn)一步包括存儲(chǔ)得自確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少 一個(gè)特性的結(jié)果；并且將這些結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，這樣使得分級(jí)最高的結(jié)果代表在該查詢圖像的特征與這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖 <象中的至少 一個(gè)之間的最有可能的匹配。該多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像中的至少 一些可各自包括代表至少 一個(gè)人的面部的數(shù)據(jù)，并且其中該查詢圖像的特征可包括代表至少 一個(gè)人的面部的數(shù)據(jù)。該方法可進(jìn)一步包括生成該圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖^象的至少一些中的每 一 幅的該至少 一 部分的7于應(yīng)的圖形表示；并且生成該查詢圖傳_的至少 一個(gè)特征的圖形表示。生成該數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的至少 一些中的每一幅的至少一部分的圖形表示以及該查詢圖<象的至少一個(gè)特4i的圖形表示可包括^丸行彈性束圖形匹配。生成每個(gè)凄t據(jù)庫(kù)圖像的至少該部分的對(duì)應(yīng)的圖形表示可包括 使用 一個(gè)經(jīng)典的數(shù)字處理器生成這些對(duì)應(yīng)的圖形表示。生成該查詢圖^象的至少一個(gè)特征的圖形表示可包括〃使用 一個(gè)經(jīng)典的凄t字處理器生成該圖形表示。確定每一 關(guān)聯(lián)圖形的至少 一個(gè)特性可包括確定每一關(guān)聯(lián)圖形的一個(gè)最大獨(dú)立集。確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性可包括確定每一關(guān)聯(lián)圖形的一個(gè)最大團(tuán)。通過(guò)一個(gè)量子處理器確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性可包括通過(guò)一個(gè)超導(dǎo)量子處理器來(lái)確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性，該超導(dǎo)量子處理器包括多個(gè)超導(dǎo)量子位。該方法可進(jìn)一步包括通過(guò)一個(gè)經(jīng)典的數(shù)字處理器訪問(wèn)該圖傳^丈據(jù)庫(kù)。生成這些對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)圖形可包括使用 一個(gè)經(jīng)典的數(shù)字處理器生成這些對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)圖形。該方法可進(jìn)一步包括將這些對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)圖形從該經(jīng)典的數(shù)字處理器傳送至該量子處理器。該方法可進(jìn)一步包括將由該量子處理器確定的每一關(guān)聯(lián)圖形的該至少一個(gè)特性從該量子處理器傳送至該經(jīng)典的數(shù)字處理器。該方法可進(jìn)一步包括在將該查詢圖^象的圖形表示與這些凄史據(jù)庫(kù)圖
像的圖形表示進(jìn)行比較之前，對(duì)該查詢圖像的至少一部分進(jìn)行4全查；并且對(duì)該查詢圖〗象的一個(gè)方面進(jìn)4亍識(shí)別，該方面對(duì)于這些教:才居庫(kù)圖<象的一個(gè)子集是共同性的，并且其中將一個(gè)查詢圖像的至少一個(gè)特征的圖形表示與多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的至少 一些中的每一個(gè)的對(duì)應(yīng)的圖形表示進(jìn)行比灃交可包括將該查詢圖像的該至少 一個(gè)特征的圖形表示僅與在這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的子集中的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的圖形表示進(jìn)行比較，并為此產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的多幅關(guān)聯(lián)圖形。該查詢圖像的至少一個(gè)特征可代表該查詢圖像的大部分。在該查詢圖像的特征與該關(guān)聯(lián)圖形相應(yīng)的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖4象的該至少一部分之間的相似性可表明該查詢圖像的至少一個(gè)特征是否存在于該關(guān)聯(lián)圖形相對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像之內(nèi)。
至少 一個(gè)實(shí)施方案可^皮歸納為 一種計(jì)算才幾實(shí)施的解決圖 <象匹配問(wèn)題的方法，包括將一個(gè)圖像匹配問(wèn)題設(shè)定為一個(gè)二次無(wú)約束的二元優(yōu)化問(wèn)題；將該二次無(wú)約束的二元優(yōu)化問(wèn)題映射至一個(gè)量子處理器上；并且演算該量子處理器以產(chǎn)生對(duì)該二次無(wú)約束的二元優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)解。
至少 一 個(gè)實(shí)施方案可 一皮歸納為 一 種計(jì)算才幾實(shí)施的比4交兩個(gè)對(duì)象的方法，包括將第一對(duì)象的至少一部分的一個(gè)圖形表示與第二對(duì)象的至少一部分的一個(gè)圖形表示進(jìn)行比較，其中該比較包括生成一幅關(guān)聯(lián)圖形；并且通過(guò)一個(gè)量子處理器來(lái)確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性，其中該關(guān)耳關(guān)圖形的至少 一個(gè)特性代表在該第 一對(duì)象的該至少 一部分與該第二對(duì)象的該至少 一部分之間的相似性。
該方法可進(jìn)一步包才舌該第 一對(duì)象與該第二對(duì)象均是圖 <象。確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性可包括確定該關(guān)聯(lián)圖形的一個(gè)最大獨(dú)立集。確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少 一個(gè)特性可包括確定該關(guān)聯(lián)圖形的 一個(gè)最大團(tuán)。確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性可導(dǎo)致該量子處理器返回一個(gè)值，該值代表在該第 一 對(duì)象的該至少 一 部分與該第二只十象的該至少 一 部分之間的 一 種相似性的度量。
附圖i兌明
在這些附圖中，相同的參考l史字標(biāo)識(shí)出相似的元件或者動(dòng)作。附圖中元件的尺寸和相對(duì)位置不一定是按比例繪制。例如，不同元件的形狀以及角度不一定4安比例《會(huì)制，并且這些元件中的一些^^任意i也》丈大和定位以提高附圖的易讀性。另外，所繪出的這些元件的特定形狀并非旨在傳遞與這些特定元件的實(shí)際形狀有關(guān)的任何信息，而只是為了方<更在圖中識(shí)別而選耳又。


圖1是用于通過(guò)包括一個(gè)量子處理器的系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)圖像識(shí)別的一種方法的實(shí)施方案的流禾呈圖。
圖2A是示出了重疊在面部圖像本身上的一個(gè)面部圖像的圖形表示的示意圖。
圖2B是用于將問(wèn)題/人一個(gè)經(jīng)典處理器傳遞到一個(gè)量子處理器的方法的實(shí)施方案的流禾呈圖。
圖3是設(shè)計(jì)為用于絕熱量子計(jì)算(和/或量子退火)的一種常規(guī)超導(dǎo)量子處理器的一部分的示意圖。圖4是用于通過(guò)一個(gè)量子處理器解算圖像匹配的問(wèn)題中的運(yùn)作的本才幾才莫式的 一 種方法的實(shí)施方案的流程圖。
圖5是用于通過(guò)一個(gè)量子處理器解算圖像匹配的問(wèn)題中的運(yùn)作的混合模式的 一 種方法的實(shí)施方案的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在以下i兌明中，列舉了某些特定的細(xì)節(jié)以使j是供只十不同的所4皮露的實(shí)施方案的全面理解。然而，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以在沒(méi)有 一個(gè)或多個(gè)這些特定細(xì)節(jié)的情況下，或者在具有其他的方法、組件、材料等的情況下實(shí)踐這些實(shí)施方案。在其他的情況下，與模擬處理器(如量子處理器、量子器件、耦合器件以及包括微處理器與驅(qū)動(dòng)電路的控制系統(tǒng))相關(guān)聯(lián)的公知結(jié)構(gòu)沒(méi)有被詳細(xì)地示出或者說(shuō)明，以避免
不必要地>'昆淆這些實(shí)施方案的il明。
除非上下文另有要求，在整個(gè)說(shuō)明書和所附的權(quán)利要求書中，"包括，，一詞及其多種變體(例如，"包括了"和"包括著")將以一種開(kāi)放式的和包含性的意義來(lái)進(jìn)行解釋，即，如"包括，但不限于，,。
遍及本i兌明書^是到的"一種實(shí)施方案"或"一個(gè)實(shí)施方案"意p未著與該實(shí)施方案向關(guān)聯(lián)地描述的一個(gè)具體的指示特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)實(shí)施方案中。因此，貫穿本說(shuō)明書在不同地方出現(xiàn)的短語(yǔ)"在一種實(shí)施方案中"、"在一個(gè)實(shí)施方案中"并不一定全部是指同一個(gè)實(shí)施方案。此外，這些具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性能夠以4壬何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合在一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施方案中。
如在本說(shuō)明書和所附的權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式的"一個(gè)"和"該"包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除非文中另外明確指明。還應(yīng)注意，術(shù)語(yǔ)"或者"一詞總體上所4吏用的意義包括"和/或"，除非文中另外明確指明。在此給出的小標(biāo)題以及摘要只是為了方便起見(jiàn)，而并非解釋這些實(shí)施方案的范圍或含意。
本系統(tǒng)、方法及裝置描述了用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子處理器的技術(shù)，以便在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行自動(dòng)圖像識(shí)別。為了做到這一點(diǎn)， 一個(gè)圖像匹配問(wèn)題被映射為可由一個(gè)量子處理器來(lái)處理的形式。圖像可釆取多種形式。典型地，圖像采取數(shù)字信息的形式，該形式能用于產(chǎn)生圖像的視覺(jué)表示，例如在顯示器或在紙張上。例如圖像可采取限定一個(gè)位圖的信息的形式，例如，指定一個(gè)二維陣列的不同像素的強(qiáng)度和/或顏色。還例如，圖像可采取凄t學(xué)表示的形式，例如一個(gè)或多個(gè)多項(xiàng)表達(dá)式(如，B樣條多項(xiàng)式)或矢量。圖l象同樣可采耳又其他的形式。
處于其最簡(jiǎn)單形式的圖像匹配嘗試尋找來(lái)自與同一物理結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)圖像的稱對(duì)圖像特征。例如， 一個(gè)圖像特征可包括描述了給定圖像位置的鄰域的一個(gè)矢量。為了尋找對(duì)應(yīng)的特4i,典型地考慮兩個(gè)因素特征相似性(如由多個(gè)特征矢量之間的標(biāo)量乘積所確定的)，以及幾
何一致性。這后一因素在考察剛性體時(shí)得到最好地定義。在這種情況下，特征的偏移不是任意的而是呈現(xiàn)出由觀察點(diǎn)的改變而引起的相關(guān)性。例
如，如果相才幾移到左邊，可^見(jiàn)察到在圖^f象中的特4i位置向右邊的平移。如果對(duì)象是可變形的或可鉸接的，那么特征偏移不是僅由相機(jī)觀察點(diǎn)來(lái)確定的，但鄰近的特征可能仍趨于以相似的方式來(lái)移動(dòng)。因此，圖像匹配能夠被安排為涉及一個(gè)目標(biāo)函數(shù)(該目標(biāo)函數(shù)包括至少兩個(gè)項(xiàng))的最小化的優(yōu)化問(wèn)題。該第 一項(xiàng)對(duì)多個(gè)特征之間的失配罰分，這些特征從第一圖像中繪制出并且在第二圖像中被放置于對(duì)應(yīng)的位置處。該第二項(xiàng)通過(guò)測(cè)量多個(gè)鄰近匹配物之間的分歧來(lái)加強(qiáng)鄰近匹配之間的空間 一致性。
在Intl. Journal of Computer Visions 61(1)， 55-79 (2005) Fe/ze"zwa/6 cfeT/""ew/oc/zer, "Pictorial Structures for Object Recognition,"中已i正明者構(gòu)成了 一個(gè)NP困難的優(yōu)化問(wèn)題。
為了使得一個(gè)圖像匹配問(wèn)題適合于用量子算法的解，可將該圖像匹配問(wèn)題映射為一個(gè)二次無(wú)約束的二元優(yōu)化("QUBO")問(wèn)題，其形式為<formula>formula see original document page 22</formula>
(1)
這些二元優(yōu)化變量；c,., ;9確定在一個(gè)圖^象中的多個(gè)特征如何映射到 在另一個(gè)圖像中的多個(gè)特征上。這些系數(shù)&被選擇為使所生成的目標(biāo)函 數(shù)的最小化同時(shí)將特征相似性與幾何一致性最大化。 -使用一個(gè)量子計(jì)算 的算法(例如， 一個(gè)量子絕熱算法)可對(duì)方程式(1)求解。
現(xiàn)在4是供了一個(gè)總的方法用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子處理器來(lái)解決圖^f象匹 配問(wèn)題。圖1示出了該方法100的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖。方法100是 三個(gè)動(dòng)作的一種新穎的組合生成圖係JOl與102的圖形表示(例如， 代表^L覺(jué)圖像的電子數(shù)據(jù)或信息)、使用關(guān)聯(lián)圖形103進(jìn)行4莫式匹配，并 且4吏用包括一個(gè)量子處理器的系統(tǒng)來(lái)解決問(wèn)題104。在動(dòng)作101中，建 立了在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)("數(shù)據(jù)庫(kù)圖形")中的一些或所有圖像("數(shù)據(jù)庫(kù)圖像") 的圖形表示。例如使用一個(gè)常^見(jiàn)的(數(shù)字的)處理器即可完成這一點(diǎn)。 在動(dòng)作102中，建立了一個(gè)查詢圖4象("查詢圖形")的圖形表示。在動(dòng) 作103中，將該查詢圖形與這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖形進(jìn)行比較，并且對(duì)于每次比 較生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的關(guān)if關(guān)圖形。在動(dòng)作104中，4吏用一個(gè)量子處理器來(lái)確 定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性。在動(dòng)作105中，才艮據(jù)由該量子處理器 確定的這些關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性來(lái)對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行分級(jí)?？山⒃?分級(jí)以使得最高的分級(jí)表示在該查詢圖形與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖形之間以及 由此在該查詢圖像與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像之間的最可能的匹配。
在動(dòng)作104中，可由一個(gè)量子處理器確定的這些關(guān)聯(lián)圖形的一個(gè)特 性或多個(gè)特性可耳又決于^皮;險(xiǎn)查圖#>的類型或耳又決于識(shí)別算法的性質(zhì)。兩 個(gè)適當(dāng)?shù)奶匦园ㄟ@些關(guān)聯(lián)圖形的最大獨(dú)立集("MIS")和最大團(tuán) ("MC，，)。這兩個(gè)特性是相關(guān)的并且這樣通過(guò)僅確定在每一關(guān)4關(guān)圖形中 這兩個(gè)特性之一即可進(jìn)行圖j象識(shí)別。 一個(gè)圖的MIS是由多個(gè)邊將其全部 連接的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大子集。在一個(gè)關(guān)聯(lián)圖形中的一個(gè)更大的MIS表明 在該查詢圖形與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖形之間的一個(gè)更好的匹配。因此，被確 定具有最大MIS的關(guān)i[關(guān)圖形-故預(yù)期對(duì)應(yīng)與該查詢圖4象與 一個(gè)^:據(jù)庫(kù)圖傳_之間的最可能的匹配。作為對(duì)MIS的一種可替^方案，MC是不共享4壬 何邊的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大子集，并且因此帶有最大MIS的關(guān)^:圖形典型地
將具有最小MC。因此，在相關(guān)領(lǐng)域中的4支術(shù)人員應(yīng)理解到解決一個(gè)MC 問(wèn)題與解決一個(gè)MIS問(wèn)題是類似的，唯一的不同是其分級(jí)次序是顛倒的。 可以實(shí)施方法100來(lái)加強(qiáng)自動(dòng)圖像識(shí)別的超過(guò)目前實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)的速 度和/或精度。
可應(yīng)用方法100來(lái)查找與一個(gè)查詢圖像相匹配的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像。 然而，還可應(yīng)用方法100來(lái)查4戈包4舌了一個(gè)確切特;f正的一個(gè)^i:據(jù)庫(kù)圖寸象， 該確切特4正與包4舌在一個(gè)查詢圖 <象中的 一個(gè)確切特4i相匹配。這里的區(qū) 別在于，除了對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行匹配之外，可應(yīng)用方法100來(lái)識(shí)別在查詢 圖像中的一個(gè)特征并且在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中查找對(duì)于該特征的一個(gè)匹配項(xiàng)。 例如， 一個(gè)查詢圖^f象可包括一個(gè)人的面部，并且可應(yīng)用方法100在一個(gè) 圖像數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查找包括一個(gè)相匹配的人的面部的 一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像，即使 所得到的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像包括多個(gè)人的面部，其中該匹配的面部?jī)H是該數(shù)據(jù) 庫(kù)圖像的一個(gè)特征。在此類應(yīng)用中，方法100的某些實(shí)施方案可提供的 是4吏在動(dòng)作102中建立的查詢圖像的圖形表示被限制于一個(gè)匹配所尋求 的查詢圖^象的確切特4正的 一個(gè)圖形表示。
本系統(tǒng)、方法及裝置描述了在進(jìn)行自動(dòng)圖像識(shí)別中既使用 一個(gè)數(shù)字 處理器也使用一個(gè)量子處理器。在某些實(shí)施方案中，可使用一個(gè)數(shù)字處 理器來(lái)生成多幅圖像的圖形表示(或者是多幅圖像的確切特征，這取決 于所希望的查詢)以及生成多個(gè)關(guān)耳關(guān)圖形，而確定每一關(guān)l關(guān)圖形的至少 一個(gè)特性可使用 一個(gè)量子處理器來(lái)進(jìn)行。
面部圖像是可由圖形來(lái)代表的一種類型的圖像的具體實(shí)例。生成多 個(gè)面部圖像的圖形表示是在繼續(xù)發(fā)展并成長(zhǎng)的一個(gè)研究領(lǐng)域。基本原理 在于在面部上確切特;f正(例如眼、鼻與嘴，連同"^午多其他更為精細(xì)的特 征)的相對(duì)位置可最終定義對(duì)于每個(gè)面部是獨(dú)特的一種組合。因此，這 些相對(duì)位置的一個(gè)圖形表示可用與指紋幾乎相同的方式來(lái)用于對(duì)個(gè)人進(jìn) 行識(shí)別。在這樣的一個(gè)圖形表示中，這些可識(shí)別的特征(還是如眼和嘴) 可通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)或頂點(diǎn)來(lái) 表，這些節(jié)點(diǎn)或頂點(diǎn)是由多個(gè)邊組成的 一個(gè)
23網(wǎng)所連接的。這些邊可定義這些節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。節(jié)點(diǎn)的數(shù)目越多(也 就是說(shuō)，在一個(gè)圖像上被識(shí)別的特征的數(shù)目越多)則圖形表示的精度就 越高。對(duì)于代表其他身體部分(例如，虹膜或指紋)的多種圖像可采取 一種相同的或類似的途徑。
圖2A是示出了重疊在原始面部圖像上的一個(gè)圖形表示200的示意 圖。在圖2A中，節(jié)點(diǎn)201-204限定了嘴的輪廓。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，圖形表 示200由相對(duì)較少的節(jié)點(diǎn)(在圖中僅取出四個(gè)點(diǎn))組成并且因此是原始 面部圖^象的一個(gè)相》于不4青確的表示。然而，在本領(lǐng)域中那些普iii支術(shù)人 員應(yīng)理解到可通過(guò)增加圖形中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目并且因此代表圖像中更多的面 部特征來(lái)改善面部圖像的圖形表示的精度。此外，圖2A是指僅作為面 部圖Y象的圖形表示的一個(gè)示意性實(shí)例。在圖2A中用節(jié)點(diǎn)識(shí)別的具體面 部特征以及在節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的邊不代表一個(gè)所要求的圖形方案。在本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)理解到在一個(gè)圖形表示中識(shí)別的這些具體面部特征連同 在節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)可4艮據(jù)生成圖形表示的方法來(lái)改變。在本領(lǐng)域的 才支術(shù)人員還應(yīng)理解到生成面部圖像的圖形表示的原理與^支術(shù)可^皮應(yīng)用到 其他圖像類型上，例如目標(biāo)的圖像、風(fēng)景、地圖、指紋、等等。因此， 雖然圖2A 4又示出了一個(gè)面部圖4象的圖形表示，4旦本領(lǐng)域的才支術(shù)人員也 應(yīng)理解到如〗可類似i也建立4壬^r類型圖4象的圖形表示。
可手動(dòng)繪制出一幅圖像的圖形表示，或者它可被自動(dòng)生成。此類圖 形表示的最終目的是在于圖4象識(shí)別，這可要求在多幅圖^象的一個(gè)非常大 的數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)于每一圖像建立圖形表示。這樣，更為實(shí)際的是開(kāi)發(fā)用于 自動(dòng)地生成多幅圖像的圖形表示的一種系統(tǒng)，而不是完全由手工來(lái)繪制。 此類系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是彈性束圖形匹配(EBGM )。 EBGM專門祐/沒(méi)計(jì)為 應(yīng)用在面部圖像上；然而，這些基本原理可^皮應(yīng)用到任何類型的圖^f象上。 在EBGM中，建立了多個(gè)廣義的模型圖形，然后將這些模型圖形配合到 新的面部圖像上并且進(jìn)行模擬以產(chǎn)生新的圖形。在1997年IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence的19(7):775-779 上Wiskott等人的Face i ecogm力'o" Z)_y ￡7os"c _5w"c/ C7rap/z Ma c/n'"g中描 述了這種技術(shù)的所有細(xì)節(jié)。這種技術(shù)持續(xù)的挑戰(zhàn)在于精度與速度之間的
24權(quán)衡，因?yàn)閳D形表示精度的增加會(huì)導(dǎo)致在識(shí)別過(guò)程期間計(jì)算工作量的增 加。然而，通過(guò)結(jié)合^f吏用關(guān)^[關(guān)圖形的才莫式匹配并且然后^f吏用量子處理器 來(lái)解決所產(chǎn)生的MIS問(wèn)題，精度與計(jì)算時(shí)間均可得到改進(jìn)而超過(guò)目前實(shí) 際應(yīng)用的4支術(shù)。
EBGM是在自動(dòng)生成面部圖像的圖形表示領(lǐng)域中的一種領(lǐng)先技術(shù)。 然而，在本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解到本系統(tǒng)、方法及裝置不要求由 EBGM來(lái)生成圖形表示。如前面所討i侖的，面部圖<象的圖形表示或4壬<可 其他圖 <象類型可以手動(dòng)地或通過(guò)4吏用4壬何其他系統(tǒng)來(lái)生成，只要在查詢 圖形與數(shù)據(jù)庫(kù)圖形之間存在足夠的 一致性而使有意義的關(guān)聯(lián)圖形可以生 成。
對(duì)于某些查詢，可能希望使用一個(gè)經(jīng)典的數(shù)字處理器來(lái)識(shí)別查詢圖 像的某些關(guān)鍵方面，這些方面自動(dòng)表明數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)特定子集。例如， 在這些查詢圖像的圖形表示正^皮生成的同時(shí)，或者在生成關(guān)聯(lián)圖形之前 從該圖形表示中，也許有可能識(shí)別查詢圖^f象的某些方面，該方面立即將 查詢聯(lián)系到數(shù)據(jù)庫(kù)中的某些子集上。當(dāng)作出這樣的識(shí)別時(shí)，僅需要將查 詢圖像與共享該相同方面的那些數(shù)據(jù)庫(kù)圖像進(jìn)行比較并且因此可生成較 少的關(guān)聯(lián)圖形。本質(zhì)上，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行過(guò)濾或修剪，這樣使得僅對(duì)有可 能被識(shí)別為是一個(gè)匹配的那些圖像進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)圖形。作為 一個(gè) 實(shí)例， 一個(gè)查詢圖i象可最初^皮分類為與一個(gè)人的面部有關(guān)，并且一個(gè)對(duì) 應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)然后可^皮減少到包括至少 一個(gè)人的面部的圖像的子集。 此外，在面部識(shí)別中，在與這些邀:據(jù)庫(kù)圖^象進(jìn)^亍比專交之前，能夠/人該查 詢圖像的圖形表示中對(duì)該面部圖像的種族或性別進(jìn)行識(shí)別。在這個(gè)實(shí)例 中，有待檢查的數(shù)據(jù)庫(kù)于是將被減少到與該查詢圖像的種族或性別相匹 配的面部圖像的子集。這將要求要生成較少的關(guān)聯(lián)圖形，從而導(dǎo)致了對(duì) 量子處理器較少的請(qǐng)求并且減少了計(jì)算時(shí)間。通過(guò)用戶或通過(guò)數(shù)字計(jì)算 才幾可進(jìn)4于這個(gè)初步的過(guò)濾或^f奮剪。
相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解到對(duì)于任何類型的圖像都可生成 一 個(gè) 圖形表示。例如，物品、風(fēng)景、地圖、指紋以及星座的圖像全都能夠由圖形來(lái)代表。此外，可對(duì)于一幅圖Y象的一方面的具體特4正而不是對(duì)于整 個(gè)圖4象生成一個(gè)圖形表示。
貫穿本說(shuō)明書及所附的權(quán)利要求書，提及了在 一 個(gè)經(jīng)典處理器與一
個(gè)量子處理器之間的通信。例如，如在方法100的動(dòng)作103中可4吏用一 個(gè)經(jīng)典的處理器來(lái)生成多個(gè)關(guān)耳關(guān)圖形，并且如方法100的動(dòng)作104中然 后一個(gè)量子處理器可被用于分析這些關(guān)聯(lián)圖形。圖2B是示出了用于在 一個(gè)經(jīng)典處理器與一個(gè)量子處理器之間進(jìn)4亍通信的方法250的實(shí)施方案 的流禾呈圖。方法250包4舌四個(gè)動(dòng)作251-254。在動(dòng)作251中， -使用一個(gè)經(jīng) 典的處J里器來(lái)處理一個(gè)查詢。 一個(gè)查詢圖^f象的處J里可包4舌多種動(dòng)作，包 括但不局限于定義一個(gè)查詢的各項(xiàng)參數(shù)、對(duì)一個(gè)查詢圖像中的具體特征 進(jìn)行識(shí)別、生成多個(gè)關(guān)聯(lián)圖形、對(duì)一個(gè)查詢進(jìn)行分類、以及建立退出標(biāo) 準(zhǔn)。該查詢的處理還可包括將該查詢轉(zhuǎn)換為可由一個(gè)量子處理器來(lái)傳送 并管理的形式。在動(dòng)作252中，所處理的查詢/人該經(jīng)典處理器^皮傳送到 一個(gè)量子處理器中。在動(dòng)作253中，使用了該量子處理器被來(lái)滿足查詢 的條件。滿足一個(gè)查詢的條件可包括多種過(guò)程，包括但不局限于確定一 個(gè)關(guān)if關(guān)圖形的至少一個(gè)4爭(zhēng)4正(例i口一個(gè)MIS或MC )。該量子處J里器管理 該查詢直至滿足了該查詢的條件。在動(dòng)作254中，滿足該查詢的結(jié)果4皮 返回到經(jīng)典處理器中。這可包4舌將對(duì)于該查詢的 一 個(gè)結(jié)果/人量子處理器 傳送到經(jīng)典處理器中。
才艮據(jù)本系統(tǒng)、方法及裝置，在一種啟發(fā)式方式中可實(shí)現(xiàn)絕熱量子計(jì) 算和/或量子退火的算法，其中可降低在解中對(duì)全局最佳性的要求。使用 此類算法， 一個(gè)量子處理器可提供a)在與經(jīng)典的解算系統(tǒng)相同的時(shí)間 量中 一 個(gè)更為精確的解；b )在比經(jīng)典的解算系統(tǒng)較短的時(shí)間段中相同的 精度級(jí)；或者c)在比經(jīng)典的解算系統(tǒng)較短的時(shí)間段中一個(gè)更為精確的 解。
可在多種不同的方式中實(shí)現(xiàn)絕熱量子計(jì)算以及類似的量子退火。在 美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/317,838以及2003年arXiv.org: quant-ph/0302027 (2003)第1-13頁(yè)\Vocjan等人的"Treating the Independent Set Problem by 2D Ising Interactions with Adiabatic Quantum Computing"中4苗述了纟色，在量子計(jì)算具體實(shí)現(xiàn)方式的實(shí)例，其中使用了量子位耦合體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶
有1-局部橫截場(chǎng)的一個(gè)2-局部伊辛哈密爾頓算子，如式2中給出
(2)
在此，w代表量子位的^:目，^是對(duì)于產(chǎn)量子位的PauliZ-矩陣， 是對(duì)于產(chǎn)量子位的Pauli I-矩陣，以及&、 A,與J,》.是耦合到每個(gè)量子位
的無(wú)量綱局部場(chǎng)。方程式2中的；^.項(xiàng)可通過(guò)將多個(gè)信號(hào)或場(chǎng)耦合到每個(gè)
產(chǎn)量子位的Z-基上來(lái)物理地實(shí)現(xiàn)。方程式2中的這些A,.項(xiàng)可通過(guò)將多個(gè) 信號(hào)或場(chǎng)耦合到每個(gè)產(chǎn)量子位的X-基上來(lái)物理地實(shí)現(xiàn)。方程式2中的這 些J^項(xiàng)可通過(guò)將成對(duì)量子位(分別是量子位z'和y)的Z-基耦合在一起 而物理地實(shí)現(xiàn)。
圖3是設(shè)計(jì)為用于絕熱量子計(jì)算(和/或量子退火)的一種常規(guī)超導(dǎo) 量子處理器300的一部分的示意圖。在圖3中所示的超導(dǎo)量子處理器300 的一部分包括兩個(gè)超導(dǎo)量子位301、 302以及在其間對(duì)信息進(jìn)行耦合的一 個(gè)可調(diào)諧的ZZ-耦合器311。雖然圖3中所示的量子處理器300的部分僅 包括兩個(gè)量子位301、 302以及一個(gè)耦合器311,但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員 應(yīng)理解量子處理器300可包括任何數(shù)目的量子位以及在其間對(duì)信息進(jìn)行 耦合的任何數(shù)目的耦合器件。
圖3中所示的量子處理器300的部分可被實(shí)施來(lái)物理地實(shí)現(xiàn)由方程 式2所描述的哈密爾頓算子。為了提供^和^項(xiàng)，量子處理器300包括 編程接口 321-324,這些接口被用于對(duì)量子處理器300的狀態(tài)進(jìn)行配置并 控制。編禾呈4妄口 321-324中的每一個(gè)可通過(guò)到一個(gè)編:程系統(tǒng)(未示出) 上對(duì)應(yīng)電感性的耦合(如圖所示)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的一個(gè)編程系統(tǒng)可與量 子處理器300分離開(kāi)，或者它可4皮局部地包括在其中(即，帶有量子處 理器300的一個(gè)芯片)，如美國(guó)專利申i青序列號(hào)11/950,276中所述。在量子處理器300的編禾呈中，編禾呈4妄口 321和324可各自用于將一 個(gè)通量信號(hào)耦合到量子位301和302的對(duì)應(yīng)的復(fù)合約瑟夫遜節(jié)331、 332 上，由此實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)哈密爾頓算子中的A,.項(xiàng)。這一耦合提供了方程式2 中的^項(xiàng)。類似地，編程接口 322和323可各自用于將一個(gè)通量信號(hào)耦 合到量子4立301和302的一個(gè)只于應(yīng)的量子4立環(huán)路上，由此實(shí)J見(jiàn)在系統(tǒng)p合 密爾頓算子中的/2,項(xiàng)。這一耦合提供了方程式2中的(jz項(xiàng)。在圖3中， 每一個(gè)編程—-接口 321-324對(duì)系統(tǒng)，哈密爾頓算子的貢獻(xiàn)分別顯示在才匡 321a-324a中。
本領(lǐng)i或中的^支術(shù)人員應(yīng)理解到絕熱量子計(jì)算和/或量子退火可通過(guò) 實(shí)施不同于圖3中系統(tǒng)300的系統(tǒng)和/或通過(guò)實(shí)施不同于方程式2的哈密 爾頓算子來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)300和哈密爾頓算子2是用來(lái)僅作為本系統(tǒng)、方 法及裝置的實(shí)施方案的實(shí)例。
本系統(tǒng)、方法及裝置提供了使用 一個(gè)量子處理器的至少兩種模式以 解決圖像匹配問(wèn)題，其中較優(yōu)選的模式取決于問(wèn)題的大小(即，在關(guān)聯(lián) 圖形中頂點(diǎn)的數(shù)目)。在運(yùn)算的第一模式(即"本機(jī)模式")中，問(wèn)題的大 小是足夠的小以致于整個(gè)問(wèn)題可^t直接映射到該量子處理器中。在運(yùn)算 的第二模式(即"混合模式，，)中，問(wèn)題的大小是太大了而不能直接映射
到量子處理器中，并且為了進(jìn)行補(bǔ)償，該問(wèn)題#皮分解為可#1單個(gè)地映射 到量子處理器中的一組較小的問(wèn)題。
在本機(jī)才莫式運(yùn)作中，圖像匹配問(wèn)題被直接映射到該量子處理器中。 對(duì)于任何一對(duì)圖像(即， 一個(gè)查詢圖像加上一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像)， 一幅關(guān)聯(lián) 圖形可#皮用于測(cè)量?jī)煞鶊D^f象的圖形表示之間的相似性。在 一 幅關(guān)聯(lián)圖形 中的每個(gè)頂點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于在第 一 圖像中特征ot與第二圖像中特征"之間的 一種關(guān)聯(lián)。在 一幅關(guān)耳關(guān)圖形中的每條邊可對(duì)在第 一 圖像中 一對(duì)特征矢量 與第二圖像中 一對(duì)特征矢量之間的某種程度的幾何一致性進(jìn)行編碼。一 幅關(guān)聯(lián)圖形的MIS即提供了相似性測(cè)量(該MIS越大，則相互重疊的區(qū) 域就越大)也提供第 一 圖像中特征到第二圖像中特征的最大無(wú)沖突映射。 io前面所討論的，這種4支術(shù)可#:用于^"兩幅整個(gè)圖{象進(jìn)4亍匹配，或者在 一組數(shù)據(jù)庫(kù)圖像之間從一個(gè)查詢圖像中去查找一個(gè)具體特征。例如，如果一幅查詢圖像的整個(gè)或一部分被包含在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像之內(nèi)的某 處，則可凈是供一個(gè)"匹配"。才艮據(jù)本系統(tǒng)、方法及裝置，查找一幅關(guān)聯(lián)圖形的MIS問(wèn)題可通過(guò)對(duì)于所有的頂點(diǎn)設(shè)置"=-1并且每當(dāng)在頂點(diǎn)之間存在一條邊時(shí)"|:殳置《=厶而凈皮安排為一個(gè)QUBO問(wèn)題。如果并JM叉在如 果該對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)是MIS的一個(gè)元素時(shí)，QUBO問(wèn)題的最小能量配置強(qiáng)制 & = 1，否則& = 0。圖4是在通過(guò)一個(gè)量子處理器解決圖^象匹配的問(wèn)題中用于運(yùn)算的本 機(jī)才莫式的方法400的實(shí)施方案的流程圖。方法400提供了由來(lái)自圖1的 方法100所述的總體方法的更多細(xì)節(jié)。確切地說(shuō)，方法400通過(guò)^f吏用類 似于來(lái)自圖3的系統(tǒng)300的一個(gè)量子處理器并且實(shí)施由方程式2描述的 p合密爾頓算子來(lái)4是供用于進(jìn)4亍方法100的動(dòng)作104的這些動(dòng)作的實(shí)例。 在方法100的動(dòng)作104中， -使用了一個(gè)量子處理器來(lái)確定一幅關(guān)聯(lián)圖形 的至少一個(gè)特性。因此，在方法400的動(dòng)作401中，該關(guān)耳關(guān)圖形-故定義 為描述了一個(gè)連4秦"-頂點(diǎn)QUBO的矩陣g，其中"由在該量子處理器中 量子位或有效量子位的數(shù)目所限制。在動(dòng)作402中，從矩陣2中確定來(lái) 自方程式2的/;,和A目標(biāo)值。在動(dòng)作403中，"個(gè)頂點(diǎn)各自用在量子處 理器中對(duì)應(yīng)的量子位或有效量子4立來(lái)識(shí)別。在動(dòng)作404中，由該量子處 理器來(lái)實(shí)現(xiàn)一種量子算法。通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)臅r(shí)間相關(guān)函數(shù)的/^%>， 和^W,該算法可包括絕熱量子計(jì)算和/或量子退火。在動(dòng)作405中，對(duì) 該量子算法的結(jié)果進(jìn)^于評(píng)估。如果該解不令人滿意，則該方法返回至動(dòng) 作404。如果該解令人滿意，則該方法前進(jìn)至動(dòng)作406。在動(dòng)作406中， 輸出對(duì)該圖像匹配問(wèn)題的解。在圖4中所描述的方法400提供了用于確定單個(gè)的關(guān)聯(lián)圖形的MIS (或者，可替代地，MC)的一個(gè)過(guò)程。如圖1的方法100所描述的，在 一個(gè)圖像匹配問(wèn)題中可生成一組關(guān)聯(lián)圖形，其中每一關(guān)聯(lián)圖形對(duì)應(yīng)著在 該查詢圖像與一個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像之間的一次相應(yīng)的比較。方法400 有效地^是供了 一個(gè)過(guò)程，該過(guò)程用于確定在該查詢圖^f象與一個(gè)單個(gè)凄史據(jù) 庫(kù)圖像之間如何良好地實(shí)現(xiàn)了一次匹配。因此，為了解決一個(gè)圖像匹配29問(wèn)題，有必要對(duì)于每一關(guān)耳關(guān)圖形完成方法400并且然后如方法100的動(dòng) 作105 —樣對(duì)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)。對(duì)于許多絕熱量子計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，可供^f吏用的物理量子^f立的凄史目可 能遠(yuǎn)小于在有待解決的圖像匹配問(wèn)題中變量的數(shù)目(即，w >量子位的 數(shù)目)。因此，有必要將一個(gè)大的圖像匹配問(wèn)題分解成一組較小的問(wèn)題。 在這種情況下，有必要實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的混合模式，其中完整的圖像匹配問(wèn)題 被分解成一組較小的問(wèn)題，這樣使得每個(gè)較小問(wèn)題都可由該量子處理器 來(lái)解決。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解到為此目的可實(shí)施多種分解技術(shù)。 本系統(tǒng)、方法及裝置描述了用于使用量子處理器的才支術(shù)，以l更通過(guò)實(shí)施 一個(gè)局部搜索算法來(lái)進(jìn)行這種分解。圖5是在通過(guò)一個(gè)量子處理器解決圖4象匹配的問(wèn)題中用于運(yùn)算的混 合才莫式的一種方法500的實(shí)施方案的流禾呈圖。類J以于圖4的方法400, 方法500的目的在于解決一個(gè)QUBO問(wèn)題，其中該解代表一幅關(guān)聯(lián)圖形 的MIS(或者，可替代地，MC)。在動(dòng)作501中，通過(guò)使用例如一個(gè)經(jīng) 典的啟發(fā)式的求解程序來(lái)建立該解的一個(gè)初始近似值。對(duì)于QUBO問(wèn)題 的一個(gè)適當(dāng)?shù)慕?jīng)典啟發(fā)式求解程序的實(shí)例是在University of Mississippi Technical Report HCES-09-00 (2000)上Glover等人的"One pass heuristics for large scale unconstrained binary quadratic problems"中甘翁述的 Digest-Devour-Tidyup算 法 ， 該 文 章 在http:〃hces.bus.olemiss.edu/reports/hces0900.pdf中可獲4尋，^f旦本4貞i或中的 」技術(shù)人員應(yīng)理解到可替代地-使用其他經(jīng)典的啟發(fā)式求解程序。該解的最 初近似值一皮用作為 一個(gè)局部4叟索算法的起始點(diǎn)。該解的最初近似值包括 一組變量X。。在動(dòng)作502中，通過(guò)對(duì)一組變量X。的一個(gè)子集S。進(jìn)行選 擇來(lái)啟動(dòng)一個(gè)局部搜索算法。在子集S。中變量的數(shù)目小于或等于能被直 接映射到量子處理器中的變量的數(shù)目。在動(dòng)作503中，變量S。的子集被 映射到該量子處理器中作為方程式3中所描述的優(yōu)化問(wèn)題《。=argmi、(Zs。，Z\S。 =X1\S。)因此，在動(dòng)作503中，量子處理器4皮用于優(yōu)化變量&的子集以改進(jìn) 該解的最初近似4直。在動(dòng)作504中，在動(dòng)作503中確定的改進(jìn)了的解萍皮 重新安排為該解的最初近似值。在動(dòng)作505中，重復(fù)動(dòng)作502-504直至 滿足一些退出標(biāo)準(zhǔn)。適當(dāng)?shù)耐顺鰳?biāo)準(zhǔn)的實(shí)例包括〃f旦不局限于一個(gè)限定凄史 目的迭^、 一個(gè)限定的時(shí)間量和/或一個(gè)限定的精度級(jí)。在動(dòng)作506中， 輸出對(duì)該問(wèn)題的最終解。在于2007年6月12日4是交的發(fā)明名稱為 "Systems, Methods, and Apparatus for Recursive Quantum Computing Algorithms"美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/943,519中描述了用于量子計(jì)算 的一種遞歸才支術(shù)。方法500 —個(gè)潛在的缺點(diǎn)在于它可能僅在變量<S。的子集空間之內(nèi)對(duì) 一個(gè)局部最小值進(jìn)行定位，而不是在所有變量X。的空間中對(duì)一個(gè)全局最 小^直進(jìn)行定位。才艮據(jù)本系統(tǒng)、方法及裝置，可在幫助脫離局部極小-f直有 啟發(fā)作用的一種禁忌搜索中實(shí)現(xiàn)方法500的局部搜索算法。禁忌搜索(如 在本領(lǐng)域中已知的)的每次迭代對(duì)前一次迭代的結(jié)果進(jìn)行存4諸并再調(diào)用。 因此，在一些實(shí)施方案中，隨著方法500 ^皮實(shí)施，可對(duì)來(lái)自每次迭^的 結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。這些存儲(chǔ)的結(jié)果可包括與改變每個(gè)單一變量的效果有關(guān) 的數(shù)據(jù)，由此將一種代價(jià)與改變每個(gè)變量關(guān)聯(lián)起來(lái)。在每次順序的迭代 中，該算法可進(jìn)行選擇以調(diào)節(jié)尚未被改變的一個(gè)變量，由此在所存儲(chǔ)的 數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一個(gè)新條目。然后這個(gè)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提供了對(duì)該解的前景梯度 的深入了解，這樣使得后續(xù)的迭代可朝著"最好的"局部極小值或理想上 朝著全局最小值前進(jìn)。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解到貫穿本說(shuō)明書術(shù)語(yǔ)"解算"是用來(lái)既包 含精確的解也包含近似的解。如所描述的，本系統(tǒng)、方法及裝置可被用于圖像匹配。這種應(yīng)用可 包括對(duì)兩幅整個(gè)圖像進(jìn)行匹配，或者它可包括在一個(gè)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)之內(nèi)查 找包含了一個(gè)查詢圖^象的全部或一部分的一個(gè)凄史據(jù)庫(kù)圖^象。例如， 一個(gè) 查詢圖像可能包含一個(gè)道路標(biāo)志并且也許希望將它用于在一個(gè)圖像數(shù)據(jù) 庫(kù)中查找一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖4象，該數(shù)據(jù)庫(kù)圖^f象在其中某處包括了 一個(gè)相匹配 的道^各標(biāo)志。然而，在本系統(tǒng)、方法及裝置中傳4更的和克念可以-故應(yīng)用于更寬的一ia問(wèn)題。存在一個(gè)寬范圍的應(yīng)用，對(duì)于這些應(yīng)用令人希望的是 在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)之內(nèi)對(duì)一個(gè)查詢找到一個(gè)匹配。在一些實(shí)施方案中，本系 統(tǒng)、方法及裝置可被推廣為確定兩個(gè)對(duì)象之間的相似性的測(cè)量的 一種方 法，其中這兩個(gè)對(duì)象的特征被結(jié)合成為由一個(gè)量子處理器分析的關(guān)聯(lián)圖 形。該量子處理器可對(duì)該關(guān)聯(lián)圖形進(jìn)行分析并且返回代表兩個(gè)對(duì)象之間 相似性度量的一個(gè)值。在某些應(yīng)用中，這兩個(gè)對(duì)象可以是圖^象，例如一 個(gè)查詢圖像與一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像。然而，在其他的應(yīng)用中，這兩個(gè)對(duì)象可 采耳又其他的形式。例如， 一些實(shí)施方案可提供在一個(gè)相關(guān)的凄t據(jù)庫(kù)中的 多個(gè)條目之間對(duì)查詢進(jìn)行匹配。其他實(shí)施方案可4是供處于其他形式的才莫式匹配，例如4旦不局限于聲音才莫式匹配、DNA序列匹配，等等。對(duì)所展示的實(shí)施方案的以上說(shuō)明(包括在摘要中所描述的)并非旨 在是窮盡的或者把這些實(shí)施方案限定到所披露的確切的形式。雖然為了 解說(shuō)的目的在此描述了具體的實(shí)施方案和實(shí)例，但是正如相關(guān)領(lǐng)域的技 術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到的，無(wú)須偏離本4皮露的精神和范圍即可以做出不同的 等效修改。在此提供的不同實(shí)施方案的傳授內(nèi)容可以應(yīng)用到其他量子計(jì) 算系統(tǒng)、方法及裝置上，并不一定是以上總體性描述的示例性的量子計(jì) 算系統(tǒng)、方法及裝置?？蓪⑸鲜霾煌膶?shí)施方案組合起來(lái)以^更提供多個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方 案。在本說(shuō)明書中提及的和/或在申請(qǐng)數(shù)據(jù)單上列出的所有美國(guó)專利、美 國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)文件、美國(guó)專利申請(qǐng)、外國(guó)專利、外國(guó)專利申請(qǐng)以及非專利公開(kāi)文件，包括但不局限于2007年4月19日提交的發(fā)明名稱為 "Systems, Methods and Apparatus for Automatic Image Recognition"的美國(guó) 臨時(shí)專利申i青序列號(hào)60/912,904、美國(guó)專利號(hào)6,838,694、美國(guó)專利號(hào) 7,335,909 、美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?006-0225165 、美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào) 12/013,192、于2007年11月8日提交的發(fā)明名稱為"Systems， Devices and Methods for Analog Processing"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/986,554、 美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?006-0147154、美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/017,995、美國(guó) 專利號(hào)7,135,701、美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/932,248、美國(guó)專利申請(qǐng)序列 號(hào)11/932,261、美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/317,838、美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/950,276以及于2007年6月12日提交的發(fā)明名稱為"Systems, Methods, and Apparatus for Recursive Quantum Computing Algorithms，，的美國(guó)臨時(shí) 專利申請(qǐng)序列號(hào)60/943,519均通過(guò)引用全文結(jié)合在此。如有必要，對(duì)這 些實(shí)施方案的各個(gè)方面可以進(jìn)^i務(wù)改，以利用不同的專利、申請(qǐng)和/>開(kāi) 文件中的系統(tǒng)、電^各及扭無(wú)念來(lái)才是供更進(jìn)一步的實(shí)施方案。
鑒于以上的詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)這些實(shí)施方案可估文出這些或其〗也的改變。 總之，在以下權(quán)利要求中，所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)當(dāng)解釋為將權(quán)利要求限制 為本說(shuō)明書和這些權(quán)利要求所-波露的特定實(shí)施方案，而是應(yīng)當(dāng)解釋為包 括所有可能的實(shí)施方案，連同這些權(quán)利要求有權(quán)獲得的所有的等效物全 部范圍。因此，這些*1利要求并不限于本4皮露。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算機(jī)實(shí)施的在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)多幅查詢圖像的特征進(jìn)行識(shí)別的方法，該方法包括將一幅查詢圖像的至少一個(gè)特征的圖形表示與一個(gè)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的多幅數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的至少一些中的每一幅的至少一部分對(duì)應(yīng)的圖形表示進(jìn)行比較，其中每次比較包括生成一幅對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)圖形；并且通過(guò)一個(gè)量子處理器來(lái)確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性，其中每一關(guān)聯(lián)圖形的該至少一個(gè)特性代表著在該查詢圖像的至少一個(gè)特征與該關(guān)聯(lián)圖形相應(yīng)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的至少該部分之間的一種相似性。
2. 如4又利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括存儲(chǔ)得自確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性的結(jié)果；并且將這些結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，這樣使得分級(jí)最高的結(jié)果代表在該查 詢圖4象的特征與這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖像中的至少 一個(gè)之間的最可能的匹S己。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)圖像中的至少一些各自包括代表著至少一個(gè)人的面部的數(shù)據(jù)，并且其中該查詢圖像的特 征包括代表至少 一 個(gè)人的面部的數(shù)據(jù)。
4. 如外又利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括生成該圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖^f象的至少 一些中的每一幅 的該至少一部分的對(duì)應(yīng)的圖形表示；并且生成該查詢圖 <象的至少 一個(gè)特4i的圖形表示。
5. 如4又利要求4所述的方法，其中生成這些凝:才居庫(kù)圖〗象的至少一些中 的每一幅的至少 一部分的圖形表示以及該查詢圖 <象的至少 一個(gè)特 征的圖形表示包括執(zhí)行彈性束圖形匹配。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中生成每個(gè)凄t據(jù)庫(kù)圖j象的至少一部分 的7于應(yīng)的圖形表示包括^吏用 一個(gè)經(jīng)典的lt字處理器生成這些對(duì)應(yīng) 的圖形表示。
7. 如權(quán)利要求4所述的方法，并且其中生成該查詢圖像的至少一個(gè)特 征的圖形表示包括使用 一個(gè)經(jīng)典的數(shù)字處理器生成該圖形表示。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定每一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性 包括確定每一 關(guān)聯(lián)圖形的 一 個(gè)最大獨(dú)立集。
9. 如^L利要求1所述的方法，其中確定每一關(guān)^:圖形的至少一個(gè)特性 包括確定每一關(guān)聯(lián)圖形的一個(gè)最大團(tuán)。
10. 如4又利要求1所述的方法，其中通過(guò)一個(gè)量子處理器來(lái)確定每一 關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性包括通過(guò)一個(gè)超導(dǎo)量子處理器來(lái)確定每 一關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性，該超導(dǎo)量子處理器包括多個(gè)超導(dǎo)量子位。
11. 如^又利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)一 個(gè)經(jīng)典的數(shù)字處理器訪問(wèn)該圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中生成這些對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)圖形包括使用 一個(gè)經(jīng)典的凄t字處理器生成這些對(duì)應(yīng)的關(guān)耳關(guān)圖形。
13. 如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括將這些對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)圖形從該經(jīng)典的lt字處理器傳送至該量子 處理器。
14. 如^又利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括將由該量子處理器確定的每一關(guān)聯(lián)圖形的該至少一個(gè)特性從 該量子處理器傳送至該經(jīng)典的^t字處理器。
15. 如斥又利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在將該查詢圖像的圖形表示與這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖<象的圖形表示進(jìn) 行比較之前，對(duì)該查詢圖像的至少一部分進(jìn)行檢查；并且對(duì)該查詢圖^f象的一個(gè)方面進(jìn)4亍識(shí)別，該方面只于于這些凝:才居庫(kù) 圖像的一個(gè)子集是共同性的，并且其中將一個(gè)查詢圖像的至少一個(gè) 特4正的圖形表示與多個(gè)彰:據(jù)庫(kù)圖〗象的至少一些中的每一個(gè)的^j"應(yīng) 的圖形表示進(jìn)行比較包括將該查詢圖像的該至少 一個(gè)特征的圖形 表示僅與在這些數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的子集中的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像的圖形表示進(jìn) 行比較，使得為此產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的多幅關(guān)聯(lián)圖形。
16. 如4又利要求1所述的方法，其中該查詢圖^象的至少一個(gè)特征代表 該查詢圖^象的大部分。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該查詢圖像的特征與該關(guān)聯(lián)圖形 相對(duì)應(yīng)的該對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖^f象的該至少一部分之間的相似性對(duì)于 該查詢圖4象的至少 一個(gè)特征是否存在于該關(guān)耳關(guān)圖形相對(duì)應(yīng)的該對(duì) 應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)圖像之內(nèi)是指示性的。
18. —種計(jì)算機(jī)實(shí)施的解決多個(gè)圖像匹配問(wèn)題的方法，該方法包括將一個(gè)圖 <象匹配問(wèn)題i殳定為 一個(gè)二次無(wú)約束的二元優(yōu)化問(wèn)題；將該二次無(wú)約束的二元優(yōu)化問(wèn)題映射至一個(gè)量子處理器上；并且演算該量子處理器以產(chǎn)生對(duì)該二次無(wú)約束的二元優(yōu)化問(wèn)題的 一個(gè)解。
19. 一種計(jì)算才幾實(shí)施的比較兩個(gè)對(duì)象的方法，該方法包括將一個(gè)第一對(duì)象的至少一部分的一個(gè)圖形表示與一個(gè)第二對(duì) 象的至少一部分的一個(gè)圖形表示進(jìn)行比較，其中該比較包括生成一 幅關(guān)聯(lián)圖形；并且通過(guò)一個(gè)量子處理器來(lái)確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性，其 中該關(guān)聯(lián)圖形的至少 一個(gè)特性代表了在該第 一對(duì)象的該至少 一部 分與該第二對(duì)象的該至少一部分之間的一種相似性。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中該第一對(duì)象與該第二對(duì)象均是圖像。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性 包括確定該關(guān)聯(lián)圖形的 一個(gè)最大獨(dú)立集。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少 一個(gè)特性 包括確定該關(guān)聯(lián)圖形的一個(gè)最大團(tuán)。
23. 如^又利要求19所述的方法，確定該關(guān)聯(lián)圖形的至少一個(gè)特性 導(dǎo)致該量子處理器返回一個(gè)^f直，該〗直K表在該第一對(duì)象的該至 少 一部分與該第二對(duì)象的該至少 一部分之間的相似性的 一種度量。
全文摘要
通過(guò)實(shí)施多個(gè)關(guān)聯(lián)圖形與一個(gè)量子處理器改進(jìn)自動(dòng)圖像識(shí)別的精確度以及計(jì)算時(shí)間的一種方法。
文檔編號(hào)G06K9/68GK101657827SQ200880012343
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者喬迪·羅斯 申請(qǐng)人:D-波系統(tǒng)公司