The quantum internet is one of the frontiers of quantum information science research. It will revolutionize the way we communicate and do other tasks, and it will allow for tasks that are not possible using the current, classical internet. The backbone of a quantum internet is entanglement distributed globally in order to allow for such novel applications to be performed over long distances. Experimental progress is currently being made to realize quantum networks on a small scale, but much theoretical work is still needed in order to understand how best to distribute entanglement, especially with the limitations of near-term quantum technologies taken into account. This work provides an initial step towards this goal. In this work, we lay out a theory of near-term quantum networks based on Markov decision processes (MDPs), and we show that MDPs provide a precise and systematic mathematical framework to model protocols for near-term quantum networks that is agnostic to the specific implementation platform. We start by simplifying the MDP for elementary links introduced in prior work, and by providing new results on policies for elementary links in the steady-state (infinite-time) limit. In particular, we show that the well-known memory-cutoff policy is optimal in the steady-state limit. Then we show how the elementary link MDP can be used to analyze a quantum network protocol in which we wait for all elementary links to be active before creating end-to-end links. We then provide an extension of the MDP formalism to two elementary links, which is useful for analyzing more sophisticated quantum network protocols. Here, as new results, we derive linear programming relaxations that allow us to obtain optimal steady-state policies with respect to the expected fidelity and waiting time of the end-to-end link.


翻译:量子互联网是量子信息科学研究的前沿领域之一。 它将使我们交流和完成其它任务的方式发生革命性的变化, 它将允许使用当前古典互联网完成不可能的任务。 量子互联网的主干线分布在全球范围, 以便让这些新应用程序能够进行远距离应用。 目前正在进行实验性进展, 以小规模实现量子网络, 但是仍然需要大量理论工作来了解如何最好地分配纠缠, 特别是考虑到短期精密量子技术的局限性。 这项工作为实现这一目标迈出了第一步。 在这项工作中, 我们提出了一个基于Markov决定程序( MDPs)的近期量子网络理论。 我们显示, 量子互联网的主干线提供了精确和系统的数学框架, 用来模拟对于具体执行平台来说不可忽视的近期量子网络协议。 我们首先简化了以前工作中引入的基本链接的 MDP, 并且提供在基本线度( 最终) 基本关系政策上有用的政策的新结果。 具体地说, 我们用最精确的网络来显示, 最精确的MDP 最接近于我们最接近最接近于最接近的MDP 。

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