Channel-Adaptive Coding, Scheduling, and Routing for Quantum Communication Networks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Final copy of thesis) eprint_thesis.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Available under License Creative Commons Attribution. Download (19MB)

Arabic Abstract

يوفّر الاتصال الكمي إمكانات جديدة لنقل المعلومات بصورة آمنة وفعّالة من خلال استغلال خصائص ميكانيكا الكم، مثل التراكب الكمي، وعدم توافق القياسات، والتشابك الكمي. ومع ذلك، تتأثر أنظمة الاتصال الكمي العملية بدرجة كبيرة بالقيود والعيوب الفيزيائية. فعلى مستوى الشبكة، يعتمد الاتصال الكمي لمسافات طويلة على موارد تشابك كمية احتمالية ومحدودة وغير مثالية، مما يتطلب إدارة دقيقة لجودتها. أما على مستوى الأجهزة والقنوات، فإن الكيوبتات المرسلة تتعرض للضوضاء التي تقلل من احتمالية استرجاع المعلومات بنجاح. تعالج هذه الأطروحة هذين التحديين من خلال تطوير أساليب تراعي محدودية الموارد وتتكيّف مع خصائص القنوات بهدف تعزيز موثوقية الاتصال الكمي. يتناول الجزء الأول من الأطروحة مسألة تخصيص الموارد في الشبكات الكمومية المدعومة بالأقمار الصناعية. ففي هذا السياق، تعمل الأقمار الصناعية كمبدّلات كمية تساعد على توزيع التشابك بين المرسلات والمستقبلات. ونظراً لأن الروابط المتشابكة الأولية موارد احتمالية ومحدودة ولا يمكن إعادة استخدامها لتلبية طلبات متزامنة متعددة، فإن عملية الجدولة تتحول إلى مسألة تحسين ذات قيود متعددة. وتصوغ هذه الأطروحة مشكلة تخصيص طلبات التشابك من طرف إلى طرف على أنها مسألة تخصيص موارد مقيدة بمستوى الإخلاص (Fidelity)، بحيث يُخصَّص لكل طلب خيار يحقق مستوى الإخلاص المطلوب مع ضمان عدم مشاركة أي رابط متشابك أولي بين أكثر من طلب مختار. ويتم إنشاء الخيارات المرشحة باستخدام تراكيب ممكنة من الروابط الأولية، وتنقية التشابك (Entanglement Distillation)، وتبديل التشابك (Entanglement Swapping). ونظراً للصعوبة الحسابية للمشكلة الناتجة، تم تطوير خوارزميات استدلالية عملية، من بينها استراتيجية المطابقة المقيدة بالموارد وفق مبدأ "الأكثر تقييداً أولاً" ونسختها المعدلة. وتُظهر نتائج المحاكاة أن الأساليب المقترحة تحقق توازناً فعالاً بين عدد الطلبات المخدومة وزمن التنفيذ مقارنة بالأساليب الجشعة والعشوائية والمعتمدة على المطابقة والحل الأمثل وخوارزمية التلدين المحاكى. أما الجزء الثاني من الأطروحة فيركز على رموز الوصول العشوائي الكمية (Quantum Random Access Codes – QRACs)، حيث يتم ترميز عدة بتات كلاسيكية داخل كيوبت واحد، ثم يحاول المستقبل استرجاع البت المطلوب. ورغم أن رموز QRAC التقليدية تحقق أفضلية كمية في البيئات المثالية، فإن أداءها قد يتدهور بصورة ملحوظة في وجود الضوضاء الواقعية. ولتعزيز متانتها، تطور هذه الأطروحة رموز QRAC متكيّفة مع القناة ومثلى لترميزي (2→1) و(3→1) تحت أربعة نماذج شائعة لضوضاء الكيوبت المفرد، وهي: قناة إزالة الاستقطاب (Depolarizing Channel)، وقناة تخميد الطور (Phase-Damping Channel)، وقناة قلب البت (Bit-Flip Channel)، وقناة تخميد السعة (Amplitude-Damping Channel). ويقوم النهج المقترح بتكييف حالة الكيوبت المرسلة مع البنية الهندسية لقناة الضوضاء باستخدام معاملات دوران تحليلية. كما تم اشتقاق صيغ مغلقة للمعاملات المثلى للترميز وللاحتمالات المتوسطة المقابلة للنجاح. إضافةً إلى ذلك، تم تطوير تنفيذ مكافئ يعتمد على تطبيق دورانات (U₃) من جهة المرسل، مما يسمح للمستقبل بالاحتفاظ بقياسات إسقاطية ثابتة. وتبيّن النتائج العددية أن رموز QRAC المتكيّفة مع القناة تحقق تحسناً في متوسط احتمال استرجاع البتات مقارنة بالرموز التقليدية، مع زيادات تتجاوز 10٪ في بعض نماذج الضوضاء. وبصورة عامة، تسهم هذه الأطروحة في تطوير الاتصال الكمي العملي من خلال تحسين الموثوقية على مستويين متكاملين: الجدولة المعتمدة على الوعي بالموارد في شبكات التشابك المدعومة بالأقمار الصناعية، والترميز التكيفي للكيوبت المفرد في القنوات الكمومية الضوضائية. وتُظهر النتائج أن أنظمة الاتصال الكمي يمكن أن تستفيد بصورة كبيرة من تصميمات تأخذ في الحسبان بشكل صريح قيود الإخلاص، ومحدودية الموارد الكمية، وتأثيرات الضوضاء في القنوات.

English Abstract

Quantum communication offers new possibilities for secure and efficient information transfer by exploiting quantum mechanical properties such as superposition, measurement incompatibility, and entanglement. However, practical quantum communication systems are strongly affected by physical imperfections. At the network level, long-distance quantum communication depends on probabilistic, finite, and imperfect entanglement resources whose quality must be managed carefully. At the device and channel level, transmitted qubits suffer from noise that degrades the probability of successful information recovery. This thesis addresses these two challenges through resource-aware and channel-adaptive methods for robust quantum communication. The first part of the thesis considers resource allocation in satellite-assisted quantum networks. In this setting, satellites act as quantum switches that help distribute entanglement between transmitters and receivers. Because elementary entangled links are probabilistic, finite, and cannot be reused across simultaneous requests, scheduling becomes a constrained optimization problem. This thesis formulates the assignment of end-to-end entanglement requests as a fidelity-constrained resource allocation problem in which each request must be assigned an option satisfying its required fidelity, while ensuring that no elementary entangled link is shared by multiple selected requests. Candidate options are constructed using feasible combinations of elementary links, entanglement distillation, and entanglement swapping. Since the resulting problem is computationally difficult, practical heuristic algorithms are developed, including a most-constrained-first resource-constrained matching strategy and its modified version. Simulation results show that the proposed methods provide an effective balance between served-request performance and runtime compared with greedy, random, matching-based, optimal, and simulated-annealing benchmarks. The second part of the thesis studies quantum random access codes (QRACs), where multiple classical bits are encoded into a single qubit and the receiver attempts to recover one requested bit. While standard QRACs provide a quantum advantage in ideal settings, their performance can degrade significantly under realistic noise. To improve robustness, this thesis develops optimal channel-adaptive QRACs for 2→1 and 3→1 encodings over four standard single-qubit noise models: depolarizing, phase-damping, bit-flip, and amplitude-damping channels. The proposed approach adapts the transmitted qubit state to the geometry of the noise channel using analytical rotation coefficients. Closed-form expressions are derived for the optimal encoding coefficients and the corresponding average success probabilities. An equivalent implementation using transmitter-side U₃ rotations is also developed, allowing the receiver to keep fixed projective measurements. Numerical results show that the proposed channel-adaptive QRACs improve the average bit-retrieval success probability compared with standard QRACs, with gains exceeding 10% for some noise models. Overall, this thesis contributes to practical quantum communication by improving reliability at two complementary levels: resource-aware scheduling for satellite-assisted entanglement networks and adaptive single-qubit encoding for noisy quantum channels. The results demonstrate that quantum communication systems can benefit significantly from designs that explicitly account for fidelity constraints, limited quantum resources, and channel noise

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research > Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Wessam Mesbah,
Thesis Committee Members:	Salam Adel Zummo, Muhamad Felemban,
Depositing User:	MD. MONZURUL HAQUE
Date Deposited:	09 Jun 2026 11:04
Last Modified:	09 Jun 2026 11:04
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144546