As quantum computing and networking nodes scale-up, important open questions arise on the causal influence of various sub-systems on the total system performance. These questions are related to the tomographic reconstruction of the macroscopic wavefunction and optimizing connectivity of large engineered qubit systems, the reliable broadcasting of information across quantum networks as well as speed-up of classical causal inference algorithms on quantum computers. A direct generalization of the existing causal inference techniques to the quantum domain is not possible due to superposition and entanglement. We put forth a new theoretical framework for merging quantum information science and causal inference by exploiting entropic principles. First, we build the fundamental connection between the celebrated quantum marginal problem and entropic causal inference. Second, inspired by the definition of geometric quantum discord, we fill the gap between classical conditional probabilities and quantum conditional density matrices. These fundamental theoretical advances are exploited to develop a scalable algorithmic approach for quantum entropic causal inference. We apply our proposed framework to an experimentally relevant scenario of identifying message senders on quantum noisy links. This successful inference on a synthetic quantum dataset can lay the foundations of identifying originators of malicious activity on future multi-node quantum networks. We unify classical and quantum causal inference in a principled way paving the way for future applications in quantum computing and networking.
翻译:随着量子计算和联网节点的扩大,出现了一些重要的未决问题,涉及各种子系统对系统总体性能的因果关系。这些问题涉及宏观波子功能的成像学重建,以及优化大型工程量子系统的连通性,在量子网络上可靠广播信息,以及在量子计算机上加速经典因果推断算法。由于超位和纠缠,不可能直接将现有因果推断技术推广到量子领域。我们提出了一个新的理论框架,通过利用诱导原则,将量子信息科学和因果推断结合起来。首先,我们在已知的量子边缘问题和诱因误判系统之间建立基本联系。第二,在几何量子网络定义的启发下,我们填补了典型有条件概率概率和量子密度矩阵之间的差距。这些基本的理论进步被用来为量子领域制定一种可升级的算法方法。我们提出的框架用于实验性地确定量子信息在量子链接上的发送者。首先,我们在已知的量子边缘问题和诱因果推断之间建立起基本联系。第二,在已知量子量子量子网络的定义定义下,我们成功地选择了一个成熟的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型式的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成型的成式的成式的成式的成型的成型的成型的成型的成式的成式的成式的成式的成式的成式的成