Recently, one of us proposed a quantum algorithm called belief propagation with quantum messages (BPQM) for decoding classical data encoded using a binary linear code with tree Tanner graph that is transmitted over a pure-state CQ channel [Renes, NJP 19 072001 (2017)]. This algorithm presents a genuine quantum counterpart to decoding based on classical belief propagation, which has found wide success in classical coding theory when used in conjunction with LDPC or Turbo codes. More recently Rengaswamy et al. [npj Quantum Information 7 97 (2021)] numerically observed that, for a small example code, BPQM implements the optimal decoder for determining the entire input codeword. Here we significantly expand the understanding, formalism, and applicability of the BPQM algorithm with the following contributions. First, we prove analytically that BPQM realizes optimal decoding for any binary linear code with tree Tanner graph. We also provide the first formal description of the BPQM algorithm in full detail and without any ambiguity. In so doing, we identify a key flaw overlooked in the original algorithm and subsequent works which implies quantum circuit realizations will be exponentially large in the code size. Although BPQM passes quantum messages, other information required by the algorithm is processed globally. We remedy this problem by formulating a truly message-passing algorithm which approximates BPQM and has circuit complexity $\mathcal{O}(\text{poly } n, \text{polylog } \frac{1}{\epsilon})$, where $n$ is the code length and $\epsilon$ is the approximation error. Finally, we also propose a novel method for extending BPQM to factor graphs containing cycles by making use of approximate cloning. We show some promising numerical results that indicate that BPQM on factor graphs with cycles can significantly outperform the best possible classical decoder.


翻译:最近,我们中有人提议了一个量子算法,称为信仰传播,使用量子信息(BPQM)来解译古典数据,用树 Tanner 图形以纯状态 CQ 频道[Renes, NJP 19 072001 (2017)] 传输的二进制线代码解码[Renes, NJP 19 072001 (2017)]。这个算法以古典信仰传播为基础,在古典编码理论中,这在与LDPC 或 Turbo 代码结合使用时取得了广泛的成功。最近,Rengaswamy 等人(npj QPrum Information 7 97 (2021) 也观察到,对于一个小示例代码,BPQM 执行最佳解码,用来确定整个输入代码的最佳解码。在这里,我们大大扩展了对BPQQM 算法的理解, 并且随后的解算法也意味着,我们通过Oral Qal 的解算法, 我们的解算法, 也能够通过Oal Qal 解算出一个真正的解算法, Qal Qal 的解算法, Qral 的解算法, 。

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