medical-imaging image-classification latent-representation reservoir-computing quantum-machine-learning nisl-era auto-encoder surrogate-model
Abstract
We introduce a hybrid quantum-classical pipeline, based on neutral-atom reservoir computing, for medical image classification, focusing on the binary classification task of polyp detection. To deal effectively with the high dimensionality, we integrate a guided auto-encoder. This pipeline learns compact and discriminative representations of image data that are also well-suited for quantum reservoir computing. A key challenge in such systems is the non-differentiable nature of quantum measurements, which creates a 'gradient barrier' for standard training. We overcome this barrier by incorporating a differentiable surrogate model that emulates the quantum layer, enabling end-to-end backpropagation through the entire system. This guided training process is jointly optimized for classification accuracy and for faithful image recovery from the auto-encoder. The learned latent representations are encoded as pulse detuning parameters within a Rydberg Hamiltonian, and quantum embeddings are subsequently obtained through expectation values. These embeddings are then passed to a linear classifier. Our simulations show that this method outperforms some traditional approaches that use PCA or unguided autoencoders. We also conduct ablation studies to assess the impact of various quantum and training parameters, demonstrating the robustness and flexibility of our proposed pipeline for real-world medical imaging applications, even in the current NISQ era.
한국어 요약
📋 한 줄 요약
**[양자 ML · 의료 영상]** 중성 원자 양자 저장소 컴퓨팅과 가이드형 오토인코더를 결합하고, 미분 가능한 서러게이트로 양자 측정 비미분성 장벽을 우회해 폴립 검출 이진 분류에서 PCA/비가이드 AE 기반보다 우수한 성능을 보였다.
🎯 핵심 기여도
- 중성 원자(Rydberg) 양자 저장소 컴퓨팅 기반 의료 영상 분류 하이브리드 파이프라인 제안
- 양자 저장소에 적합한 압축적·판별적 표현을 학습하는 가이드형 오토인코더 통합
- 양자 측정의 비미분성을 우회하는 미분 가능 서러게이트 모델 도입으로 엔드투엔드 역전파 실현
- 분류 정확도와 영상 복원 충실도를 동시에 최적화하는 공동 학습 설계
💡 핵심 아이디어
의료 영상은 고차원이고 양자 측정은 미분 불가능해 양자 저장소 컴퓨팅의 학습에 "그라디언트 장벽"이 존재한다. 본 연구는 양자 레이어를 모사하는 미분 가능 서러게이트로 그라디언트를 흘려보내고, 가이드형 AE가 양자 저장소에 적합한 잠재 표현을 학습하도록 공동 최적화한다.
🔬 기술적 접근법
- **모델/방법론**: 하이브리드 양자-고전 파이프라인 — 가이드형 AE → Rydberg 해밀토니안 펄스 디튜닝 인코딩 → 양자 저장소 측정 기대값 → 선형 분류기
- **핵심 기법**: 양자 레이어 모사 미분 가능 서러게이트로 엔드투엔드 역전파, 분류와 영상 복원의 공동 최적화로 양자 저장소 컴퓨팅 친화적 잠재 표현 학습
📊 주요 결과
- 폴립 검출 이진 분류에서 PCA 또는 비가이드형 AE 기반 전통 접근보다 우수한 성능
- 다양한 양자/학습 파라미터에 대한 어블레이션으로 강건성과 유연성 입증
- NISQ 시대에도 실용 가능한 의료 영상 분류 파이프라인 확인
💭 의의 및 한계
**의의**: 의료 영상이라는 실용 도메인에서 양자 저장소 컴퓨팅의 가능성을 시뮬레이션 수준에서 정량 검증하고, 미분성 장벽 해결의 일반적 청사진을 제공한다. **한계**: 결과가 시뮬레이션 기반이며, 실제 중성 원자 하드웨어에서의 성능과 확장성, 다중 클래스/대규모 임상 시나리오로의 일반화는 추가 연구가 필요하다.
🚀 실용적 활용
- NISQ 양자 저장소 기반 의료 영상 분류 시스템 시제품
- 비미분 양자 컴포넌트가 포함된 하이브리드 모델 학습 일반 방법론
- 자원 효율적 양자 임베딩을 사용하는 분류·진단 보조 도구