从云层中筛选波兰研究人员将测试量子算法对卫星图像的效用

　　Copernicus Sentinel数据(2018)，由欧洲航天局- ESA处理，CC by - sa 3.0 IGO许可证。
　　波兰量子宇宙实验室和KP实验室的一组跨学科研究人员研究了量子算法在从多光谱和高光谱卫星图像中检测云的有用性。为了响应欧洲航天局(ESA)在2020年底通过开放空间创新平台(OSIP)开展空间研究的号召，该项目已被选中进入实施阶段。这两家公司的五人团队将在IBM基于云的超导量子计算机中进行量子支持向量机(QSVM算法)的建模技术。
　　在今年的过程中，QSVM将从大量的卫星图像中筛选和分类云区域。云修剪可以极大地减少下游数据的大小，从而促进传输、存储和分析。理解特征相关性是大型数据卫星的一个关键需求，特别是那些涉及地球的数据。该项目团队已经与2013年发射的美国地球观测卫星Landsat 8的多光谱卫星图像分享了一些试点研究的结果。
　　量子宇宙实验室位于波兰克拉科夫，我的同事詹姆斯·达根(James Dargan)已经在《量子日报》(The Quantum Daily)上发表了专题报道。作为一个热爱太空的人，让我着迷的是量子宇宙实验室位于Jagiellonian大学的理论物理研究所。这所大学被认为是波兰最古老的大学，也是欧洲最早的大学之一。在雅盖隆大学(Jagiellonian University)的大厅里，包括尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus)，当然还有阿图尔·埃克特(Artur Ekert)在内，有一些著名的科学家对天文学和量子密码学产生了革命性的影响。
　　在这个独特丰富的历史遗产背景下，量子宇宙实验室的跨学科团队专注于量子物理、量子引力和量子宇宙学的基础理论研究。他们的方法是前瞻性的，因为他们利用了量子计算的进步和不断增长的量子空间技术阵列，包括量子密钥分配，来研究这些领域。他们还考虑到，他们的研究在不断增长的数十亿美元太空经济中具有潜在的商业意义。
　　Jakub Mielczarek是量子宇宙实验室的创始人和首席研究员。除了物理学博士学位，雅各布还拥有理论物理学和天文学的双重硕士学位，并具有引人注目的创业精神。Jakub联合创立了Garage of Complexity和Space Garden。我不久前遇到了Jakub，讨论了从大量卫星数据中提取有价值数据的挑战。
　　＂在欧盟，我们有地球观测哥白尼计划，每天产生几十兆兆字节的数据。产生和存储的数据量是巨大的。波兰也是哥白尼哨兵星座的卫星数据存储中心。如果你不能提取相关信息，并区分哪些信息可以用于不同的目的，那么数据本身就是无用的。＂
　　QSVM建立在经典计算机中研究最广泛的机器学习算法之上。支持向量机是从一个数据集中训练出来的，如果一个观察结果与一个特定的类相匹配，它就可以预测、识别和分类。在这种情况下，QSVM将在完全不同的操作结构和计算架构下进行训练，来识别和分类给定的卫星图像中是否有特定的云。图像分辨率范围从高(小于一米)到低(十到几百米)不等。该项目还将比较使用量子算法和它们的经典深度学习对等物获得的结果，以验证计算时间和类型分类的基准成功率。
　　Jakub强调了团队项目的独特价值主张。
　　＂在航天工业中，提前很多年甚至几十年进行计划是很正常的，所以我们的目标是在现有知识的基础上调查量子算法是否在空间技术和空间服务中为某些计算问题和数据处理提供优势。
　　我们提出使用的量子算法已经证明给经典算法的优势，以处理数据和提取相关信息。有一个所谓的指数加速相对于经典的。然而，这是一个考虑到量子计算机当前实现、噪声和量子位数限制的理论。并不能保证我们就能达到那一点。目前的挑战是，通过拥有大量的数据和近期的量子计算优势，我们将在大约10年或更早的时间内受益于使用量子计算机，如果一切顺利的话。
　　云是普遍的。处理云是我们可以用来测试量子算法指数加速的基本问题。我们想要有有效的方法来区分云、水或冰，这些可能会影响地面观测的可见度。从气象学、大气物理学和气候变化的角度来看，这在当今非常重要，你可能会有兴趣精确地了解地球的云层。＂
　　考虑到他在学术研究和商业应用方面的广泛轨迹，Jakub和我仔细考虑了量子计算的新兴前景以及它对太空工业的潜在影响。我问了Jakub关于未来空间应用的想法。
　　＂量子计算技术并不是我们目前拥有的最成熟的量子空间技术。然而，量子计算机近年来有了很大的进步。这就是为什么我们量子宇宙实验室决定进入这个游戏，并部分改变我们的研究领域，以利用量子计算技术。我们密切关注科技的发展。我们等待了多年的新机会出现了，这是令人兴奋的。
　　多年来，我一直在考虑使用量子计算机来研究量子引力。我喜欢探索新的领域和领域。从理解现实和时空构造的角度来看，量子引力是极其抽象和基础的。十年前，使用量子计算模拟量子时空还只是一种假设。那时，基本上没有量子计算机可用。只是在最近几年，量子计算技术才有了如此大的进步。在量子宇宙实验室，我们已经在使用可用的超导量子计算机来模拟空间和时间的原子。＂
　　位于波兰的量子宇宙实验室和KP实验室已经在为与欧空局合作的这个项目的实施阶段做准备。量子计算和空间应用方面令人兴奋的新协同作用才刚刚开始。