A Hybrid Quantum–Classical Architecture with Data Re-Uploading and Genetic Algorithm Optimization for Enhanced Image Classification

2025

Полный текст Открытый доступ: Gold Метаданные (CSL-JSON)
DOI 10.3390/computation13080185
Достоверность данных 70 средняя
Как считается эта оценка

Складывается из проверяемых признаков самой записи: есть ли у статьи DOI, сколько независимых источников подтвердили её данные, заполнены ли обязательные поля и насколько свежо последнее подтверждение. Снижают оценку расхождения между источниками и отсутствие идентификатора. Значение от 80 означает, что запись опубликована без дополнительной проверки; от 60 до 79 — что она опубликована с пониженной достоверностью и ручная проверка желательна. Запись, выверенную редактором вручную, пересчёт не опускает ниже 90. Это оценка наших данных о статье, а не оценка самой статьи.

Аннотация

Quantum machine learning (QML) has emerged as a promising approach for enhancing image classification by exploiting quantum computational principles such as superposition and entanglement. However, practical applications on complex datasets like CIFAR-100 remain limited due to the low expressivity of shallow circuits and challenges in circuit optimization. In this study, we propose HQCNN–REGA—a novel hybrid quantum–classical convolutional neural network architecture that integrates data re-uploading and genetic algorithm optimization for improved performance. The data re-uploading mechanism allows classical inputs to be encoded multiple times into quantum states, enhancing the model’s capacity to learn complex visual features. In parallel, a genetic algorithm is employed to evolve the quantum circuit architecture by optimizing gate sequences, entanglement patterns, and layer configurations. This combination enables automatic discovery of efficient parameterized quantum circuits without manual tuning. Experiments on the MNIST and CIFAR-100 datasets demonstrate state-of-the-art performance for quantum models, with HQCNN–REGA outperforming existing quantum neural networks and approaching the accuracy of advanced classical architectures. In particular, we compare our model with classical convolutional baselines such as ResNet-18 to validate its effectiveness in real-world image classification tasks. Our results demonstrate the feasibility of scalable, high-performing quantum–classical systems and offer a viable path toward practical deployment of QML in computer vision applications, especially on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) hardware.