Achievability in information theory refers to demonstrating a coding strategy that accomplishes a prescribed performance benchmark for the underlying task. In quantum information theory, the crafted Hayashi-Nagaoka operator inequality is an essential technique in proving a wealth of one-shot achievability bounds since it effectively resembles a union bound in various problems. In this work, we show that the pretty-good measurement naturally plays a role as the union bound as well. A judicious application of it considerably simplifies the derivation of one-shot achievability for classical-quantum (c-q) channel coding via an elegant three-line proof. The proposed analysis enjoys the following favorable features: (i) The established one-shot bound admits a closed-form expression as in the celebrated Holevo-Helstrom Theorem. Namely, the average error probability of sending $M$ messages through a c-q channel is upper bounded by the error of distinguishing the joint state between channel input and output against $(M-1)$-many products of its marginals. (ii) Our bound directly yields asymptotic results in the large deviation, small deviation, and moderate deviation regimes in a unified manner. (iii) The coefficients incurred in applying the Hayashi-Nagaoka operator inequality are no longer needed. Hence, the derived one-shot bound sharpens existing results that rely on the Hayashi-Nagaoka operator inequality. In particular, we obtain the tightest achievable $\epsilon$-one-shot capacity for c-q channel heretofore, and it improves the third-order coding rate in the asymptotic scenario. (iv) Our result holds for infinite-dimensional Hilbert space. (v) The proposed method applies to deriving one-shot bounds for data compression with quantum side information, entanglement-assisted classical communication over quantum channels, and various quantum network information-processing protocols.


翻译:信息理论的可实现性是指显示一种编码战略,它能为基本任务达到规定的业绩基准。在量子信息理论中,精心设计的Hayashi-Nagaoka操作员不平等是证明大量一发的可实现性约束的一个必要技术,因为它实际上类似于在各种问题中捆绑的联盟。在这项工作中,我们表明,良好的测量自然也起到联盟约束的作用。明智地应用这一测量大大简化了古典夸特姆(c-q)频道通过优雅的三线证据进行单发的可实现性。拟议的分析具有以下有利的特征:(一发的一发型接受一种封闭式表达,因为它在庆祝的Holevo-Helstrom Theorem中, 也就是说,通过 c-q 频道发送美元信息的平均误差概率是:频道输入量和输出量之间的联合状态与美元(M-1美元) 边际产品之间的误差。 (二) 我们的中度收成值是快速的, 运行量计算结果是大幅偏离, 机极值的运行结果是目前的方法。

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