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溶接画像における工業的欠陥分類のためのハイブリッド量子-古典AI

arXiv cs.CV / 2026/4/1

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要点

  • 本論文は、アルミニウムTIG溶接画像における欠陥を分類するために、2つのハイブリッド量子-古典機械学習手法を検討し、自動化された産業品質管理の向上を目指している。
  • まずCNNを用いて溶接画像をコンパクトな特徴ベクトルに圧縮し、その特徴を2つの異なる符号化/学習戦略を通じて量子コンポーネントへ入力する。
  • 1つ目のアプローチでは、パラメータ化された量子特徴写像により量子状態を生成し、状態の内積から量子カーネル行列を計算したうえで、Variational Quantum Linear Solver(VQLS)を用いてSVMの最適化問題を解く。
  • 2つ目のアプローチでは、角度符号化により特徴を変分量子回路へ入力し、古典的なオプティマイザで当該回路を学習する。さらに、本研究では両方の量子手法を2値および多クラスのタスクにおいて比較する。
  • 結果は、古典的CNNが頑健性を維持する一方で、ハイブリッド量子-古典モデルは競争力のある性能を示すことを明らかにしている。これは、現在の制約はあるものの、近い将来の量子支援による欠陥検出の可能性を示唆している。

Abstract

Hybrid quantum-classical machine learning offers a promising direction for advancing automated quality control in industrial settings. In this study, we investigate two hybrid quantum-classical approaches for classifying defects in aluminium TIG welding images and benchmarking their performance against a conventional deep learning model. A convolutional neural network is used to extract compact and informative feature vectors from weld images, effectively reducing the higher-dimensional pixel space to a lower-dimensional feature space. Our first quantum approach encodes these features into quantum states using a parameterized quantum feature map composed of rotation and entangling gates. We compute a quantum kernel matrix from the inner products of these states, defining a linear system in a higher-dimensional Hilbert space corresponding to the support vector machine (SVM) optimization problem and solving it using a Variational Quantum Linear Solver (VQLS). We also examine the effect of the quantum kernel condition number on classification performance. In our second method, we apply angle encoding to the extracted features in a variational quantum circuit and use a classical optimizer for model training. Both quantum models are tested on binary and multiclass classification tasks and the performance is compared with the classical CNN model. Our results show that while the CNN model demonstrates robust performance, hybrid quantum-classical models perform competitively. This highlights the potential of hybrid quantum-classical approaches for near-term real-world applications in industrial defect detection and quality assurance.

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