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量子率失真函数的高效计算

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何嘉瑞1, 詹姆斯·桑德森1和哈姆扎·法齐2

1莫纳什大学电气与计算机系统工程系,克莱顿 VIC 3800,澳大利亚
2剑桥大学应用数学与理论物理系,剑桥 CB3 0WA,英国

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抽象

量子率失真函数在量子信息论中发挥着基础作用,但目前还没有实用的算法可以在中等通道维度下高效地高精度计算该函数。在本文中,我们展示了对称性约简如何显着简化纠缠辅助量子率失真问题的常见情况。这使我们能够更好地理解获得最佳率失真权衡的量子通道的属性,同时还允许更有效地计算量子率失真函数,而不管使用何种数值算法。此外,我们提出了镜像下降算法的不精确变体,以计算具有可证明的亚线性收敛速率的量子率失真函数。我们展示了这种镜像下降算法与 Blahut-Arimoto 和先前用于解决信息论中类似问题的期望最大化方法的关系。使用这些技术,我们提出了第一个计算多量子位量子率失真函数的数值实验,并表明与现有方法相比,我们提出的算法求解速度更快且精度更高。

量子率失真函数描述了在不超过最大允许失真的情况下,量子信道可以压缩量子信息源的最大量。一般来说,这个函数需要通过求解凸优化问题来进行数值计算。然而,由于两个原因,这可能具有挑战性。首先,随着量子通道尺寸的增加,优化问题的问题维度很快变大。对于测量量子信息源失真的常用方法,我们展示了如何利用优化问题中的对称性来显着降低优化问题的维度,从而使我们能够更快地解决问题。其次,由于优化问题中出现了类似量子熵的函数,标准梯度下降算法在计算量子率失真函数时效果不佳。相反,我们展示了如何利用梯度下降的熵变化(称为熵镜下降)来导出计算量子率失真函数的有效算法。

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