单比特量子队列信道的经典容量与乘积解码策略研究

《IEEE Transactions on Quantum Engineering》：Unital Qubit Queue-Channels: Classical Capacity and Product Decoding

本刊推荐：为解决量子通信网络中缓冲退相干导致的非独立同分布噪声问题，研究人员开展了关于单比特量子队列信道（Unital Qubit Queue-Channels）的研究。通过构建等待时间相关的信道模型，证明了经典容量的可达性，并发现简单的乘积（非纠缠）解码策略即可实现容量。该成果对设计实用量子通信系统具有重要意义，为量子网络的实际部署提供了理论依据。

　　

随着量子通信网络的快速发展，量子信息在传输过程中不可避免地需要在缓冲区排队等待。然而，量子态的脆弱性导致其在缓冲期间会与环境持续相互作用，产生等待时间相关的退相干现象。这种退相干使得量子信道呈现出非独立同分布（non-i.i.d.）的特性，传统的量子香农理论难以直接适用。如何准确刻画这类信道的经典容量，并设计实用的编码解码方案，成为量子通信网络设计中的关键难题。

在这项发表于《IEEE Transactions on Quantum Engineering》的研究中，研究人员针对单比特量子队列信道展开了深入探讨。通过结合排队论模型与量子噪声模型，他们建立了能够准确描述缓冲退相干效应的数学框架，为解决这一难题提供了新思路。

研究团队主要采用了以下几个关键技术方法：首先，基于Lindley递归建立了连续时间G/G/1排队模型，描述量子比特的等待时间分布；其次，利用Bloch矢量参数化方法表征单比特量子态；第三，通过诱导信道（induced channel）构造将量子信道转化为经典二元对称信道（BSC）进行分析；最后，采用乘积编码和投影测量（projective measurements）策略实现信息传输。

单比特量子队列信道容量分析

通过建立等待时间相关的单比特量子信道模型，研究发现当编码器具有非因果边信息时，加性队列信道的容量上界是可达到的。对于满足"Pauli有序"特性的信道类，即使编码器无等待时间信息，该上界同样可达。

单比特信道乘积编解码策略

研究提出了一种显式的容量可达乘积编解码方案。该方案将经典信息通过二元对称信道编码后，映射到特定的量子态上进行传输，在接收端采用投影测量进行解码。理论证明该策略能够实现单比特量子信道的经典容量。

对称广义振幅阻尼队列信道

针对对称广义振幅阻尼信道（GADC）这一重要特例，研究团队推导了其队列信道容量的闭式表达式。通过构建特定的诱导信道，证明了容量表达式与加性上界匹配，为这类信道的实用化设计提供了理论基础。

队列信道容量的设计启示

通过对对称广义振幅阻尼队列信道的数值分析发现，忽略缓冲退相干会严重高估系统容量。研究揭示了存在最优的量子比特制备速率，该速率取决于缓冲器的物理参数，这一发现对实际量子通信系统的参数优化具有重要指导意义。

本研究的重要意义在于首次系统建立了单比特量子队列信道的容量理论框架，证明了简单的乘积解码策略即可实现容量，避免了复杂纠缠测量的需求。研究成果不仅推动了非独立同分布量子信道的理论研究，还为实用化量子通信网络的设计提供了关键理论支撑，特别是在缓冲区管理、编码方案选择等实际问题上给出了明确指导。