Recently, Renes 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)]. The algorithm presents a genuine quantum counterpart to decoding based on the classical belief propagation algorithm, 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)] observed that BPQM implements the optimal decoder on a small example code. 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 dimension. 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 quantum 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, Renes 提议了一个量子算法, 名为“ 信念传播”, 用量子信息( BPQM ) 来解译古典数据, 其编码使用树 Tanner 图形的二进制线性代码, 由纯状态 CQ 频道[ Renes, NJP 19 072001 (2017 2017 ] 传输。 该算法提出了一个真正的量子对应法, 以古典信仰传播算法为基础, 该算法在与 LDPC 或 Turbo 代码一起使用时在古典编码理论中取得了广泛成功。 最近, Rengaswamy 等人 { { npj 量信息 797 (2021 ) 观察到, BPQM 用一个小示例代码执行最佳解码。 这里我们大大扩展了BPQM 算法的理解度, 也通过量解算法, 向其它的量级算法, 我们的量解算法将显示一个真正的量级变的量数据。

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