پیش‌بینی بیماری دیابت با استفاده از ماشین بردار پشتیبان کلاسیکی و کوانتومی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه ولی عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان

2 مرکز محاسبات کوانتومی آریاکوانتا، تهران

چکیده
قندخون یکی از شاخص‌های تأثیر‌گذار‌ بر سازوکار سوخت‌وساز بدن است. پیش‌بینی دقیق و پیشگیری این شاخص، از اهمیت زیادی برخوردار است. در این راستا، تحلیل و بررسی الگوریتم‌های یادگیری ماشین کوانتومی برای پردازش داده‌های پزشکی و افزایش دقت الگو‌های پیش‌بینی‌ در حوزۀ سلامت، از زمینه‌های پیشرو در مطالعات اخیر به شمار می‌آید. الگوریتم‌های یادگیری ماشین کوانتومی، با تکیه بر اصول فیزیک و محاسبات کوانتومی، جایگزینی مؤثر برای روش‌های کلاسیکی در پیش‌بینی بیماری‌های مزمن محسوب می‌شوند. این الگوریتم‌ها با نگاشت داده‌های کلاسیکی به فضای کوانتومی و استفاده از ویژگی‌هایی مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، قابلیت شناسایی الگوهای پنهان و پیچیده در داده‌ها را به‌طور چشم‌گیری افزایش می‌دهند. در این پژوهش، ابتدا داده‌ها پس از پیش‌پردازش با روش تحلیل مولفه‌های اصلی (PCA) پردازش شده‌اند. سپس عملکرد ماشین بردار پشتیبان کوانتومی (QSVM) و مدار کوانتومی وردشی (VQC) در پیش‌بینی قند خون نسبت به روش کلاسیک SVM، بررسی و مقایسه شده ‌است. در نتیجه الگوی QSVM با دقت 90 درصد، عملکرد بهتری نسبت به SVM کلاسیکی با دقت 4/74 درصد نشان داده است، درحالی‌که الگوی آمیختۀ کلاسیکی- کوانتومی VQC با ثبت دقت 2/94 درصد بالاترین سطح دقت و کارایی را در پیش‌بینی سطح قندخون ارائه کرده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Prediction of diabetes using classical and quantum support vector machines

نویسندگان English

Shaghayegh Shahmohamadi 1
Hamid Reza Baghshahi 1
Hossein Davoudi Yeganeh 2
1 Department of Physics, Faculty of Science, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran
2 AriyaQuanta Center for Quantum Computing, Tehran, Iran
چکیده English

Blood glucose is one of the key indicators influencing the body’s metabolic performance. Accurate prediction and proactive management of this parameter are of paramount clinical importance. In this context, the analysis and evaluation of quantum machine learning (QML) algorithms for processing medical data and enhancing the predictive accuracy of health-related models have emerged as cutting-edge research directions in recent studies. Leveraging the principles of quantum physics and computation, QML algorithms serve as a promising alternative to classical methods for predicting chronic diseases. By mapping classical data into a quantum feature space and exploiting intrinsic quantum properties such as superposition and entanglement, these algorithms significantly enhance the ability to detect complex and latent patterns within datasets. In this study, the dataset was first preprocessed using Principal Component Analysis (PCA) for dimensionality reduction and noise suppression. Subsequently, the predictive performance of two quantum machine learning models—the Quantum Support Vector Machine (QSVM) and the Variational Quantum Circuit (VQC)—was evaluated and compared with that of the classical Support Vector Machine (SVM) for blood glucose level prediction. The results indicate that the QSVM model achieves a prediction accuracy of 90%, outperforming the classical SVM, which attained an accuracy of 74.4%. Moreover, the hybrid classical–quantum VQC model demonstrated the highest predictive performance, achieving an accuracy of 94.2%, thereby establishing it as the most effective approach for blood glucose level forecasting in this experimental setting.

کلیدواژه‌ها English

Quantum Machine Learning Algorithm
Blood Glucose
Quantum Support Vector Machine
Variational Quantum Circuit
1.     M Fisher, J. Diabetes Endocr. Pract. 5 (2022) 135.
2.     H Naz and S Ahuja, J. Diabetes Metab. Disord. 19 (2020) 391.
3.     H Zhou, R Myrzashova and R Zheng, EURASIP J. Wirel. Commun. Netw. 2020 (2020) 148.
4.     P L Panuganti, S N Hinkle, S Rawal, L G Grunnet, Y Lin, A Liu and C Zhang, Nutrients 10 (2018) 938.
5.     H Gupta, H Varshney, T K Sharma, N Pachauri and O P Verma, Complex Intell. Syst. 8 (2022) 3073.
6.     J Biamonte, P Wittek, N Pancotti, P Rebentrost, N Wiebe and S Lloyd, Nature 549 (2017) 195.
7.     V Kecman, Support Vector Machines: Theory and Applications, Springer, Berlin (2005) 1.
8.     C J Burges, Data Min. Knowl. Discov. 2 (1998) 955.
9.     O Zang, G Barrué and T Quertier, in: Proc. Int. Conf. Quantum Eng. Sci. Technol. Ind. Serv., Springer, Cham (2025) 270.
10. J Romero, J P Olson and A Aspuru-Guzik, Quantum Sci. Technol. 2 (2017) 045001.
11. A Macaluso, L Clissa, S Lodi and C Sartori, in: Proc. Int. Conf. Comput. Sci., Springer, Cham (2020) 591.
12. W R Khan, M A Kamran, M U Khan, M M Ibrahim, K S Kim and M U Ali, Int. J. Intell. Syst. 2025 (2025) 1351522.
13. J R McClean, J Romero, R Babbush and A Aspuru-Guzik, New J. Phys. 18 (2016) 023023.
14. O Farooq, M Shahid, S Arshad, A Altaf, F Iqbal, Y A M Vera and I Ashraf, Sci. Rep. 14 (2024) 19521.
15. D Maheshwari, B Garcia-Zapirain and D Sierra-Sosa, in: Proc. IEEE Int. Symp. Signal Process. Inf. Technol., IEEE, Piscataway (2020) 1.
16. M Schuld, arXiv:2101.11020 (2021).
17. N Singh and S R Pokhrel, arXiv:2501.08205 (2025).
18. V Havlíček, A D Córcope, K Temme, A W Harrow, A Kandala, J M Chow and J M Gambetta, Nature 567 (2019) 209.
19. N Innan, M A Z Khan, B Panda and M Bennai, Quantum Inf. Process. 22 (2023) 374.
20. D Sierra-Sosa, J D Arcila-Moreno, B Garcia-Zapirain and A Elmaghraby, Comput. Mater. Contin. 67 (2021) 1849.

تحت نظارت وف بومی