Quantum networks are becoming increasingly important because of advancements in quantum computing and quantum sensing, such as recent developments in distributed quantum computing and federated quantum machine learning. Routing entanglement in quantum networks poses several fundamental as well as technical challenges, including the high dynamicity of quantum network links and the probabilistic nature of quantum operations. Consequently, designing hand-crafted heuristics is difficult and often leads to suboptimal performance, especially if global network topology information is unavailable. In this paper, we propose RELiQ, a reinforcement learning-based approach to entanglement routing that only relies on local information and iterative message exchange. Utilizing a graph neural network, RELiQ learns graph representations and avoids overfitting to specific network topologies - a prevalent issue for learning-based approaches. Our approach, trained on random graphs, consistently outperforms existing local information heuristics and learning-based approaches when applied to random and real-world topologies. When compared to global information heuristics, our method achieves similar or superior performance because of its rapid response to topology changes.


翻译:随着量子计算和量子传感技术的进步,例如分布式量子计算和联邦量子机器学习的最新发展,量子网络正变得越来越重要。在量子网络中路由纠缠态面临若干基础性和技术性挑战,包括量子网络链路的高度动态性以及量子操作的概率性本质。因此,设计手工启发式方法较为困难,且往往导致次优性能,尤其是在全局网络拓扑信息不可得的情况下。本文提出RELiQ,一种基于强化学习的纠缠路由方法,该方法仅依赖局部信息和迭代式消息交换。通过利用图神经网络,RELiQ学习图表示并避免对特定网络拓扑的过拟合——这是基于学习方法普遍存在的问题。在随机图上训练后,我们的方法在应用于随机和真实世界拓扑时,始终优于现有的局部信息启发式方法和基于学习的方法。与全局信息启发式方法相比,由于其对拓扑变化的快速响应能力,我们的方法实现了相当或更优的性能。

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