Strategies for optimizing performance and resource overhead in quantum networks

Abstract

Quantum networks promise unconditionally secure communication and distributed quantum computing. Realizing these capabilities requires the reliable creation and maintenance of multipartite entanglement across large-scale networks. However, distributing complex entangled states among many nodes becomes increasingly challenging due to physical imperfections, architectural constraints, and the growing demands on network resources. This thesis presents practical methods that address two key facets of this broader problem. First, we introduce graph-theoretic protocols that generate GHZ states in Bell-pair networks using only local operations and classical communication, bypassing NP-hard subroutines while minimizing gate counts and Bell-pair consumption. Benchmarked on random network topologies and validated on IBM quantum hardware, these methods provide a scalable path to distributed quantum computing and multiparty communication. Second, we improve the performance of second-generation quantum repeater networks by incorporating bosonic quantum error correction. We show that memories with shorter coherence times, when protected by error correction, can outperform unencoded memories with significantly longer coherence times. We further address the problem of optimal memory-buffer allocation across repeater networks, introducing policies that reduce waiting times, thereby improving entanglement distribution efficiency. Overall, these results demonstrate practical and effective methods for improving performance and advancing the realization of near-term quantum networks.

Quantennetzwerke versprechen bedingungslos sichere Kommunikation und verteiltes Quantencomputing. Die Realisierung dieser Einsatzmöglichkeiten erfordert die zuverlässige Erzeugung und Aufrechterhaltung multipartiter Verschränkung über großräumige Netzwerke hinweg. Die Verteilung komplexer verschränkter Zustände auf viele Knoten wird jedoch zunehmend schwieriger aufgrund physikalischer Imperfektionen, architektonischer Einschränkungen und der wachsenden Anforderungen an Netzwerkressourcen. Diese Dissertation präsentiert praktische Methoden, die zwei zentrale Aspekte dieses umfassen-deren Problems adressieren. Erstens stellen wir graphentheoretische Protokolle vor, die GHZ-Zustände in Bell-Paar-Netzwerken ausschließlich mithilfe lokaler Operationen und klassischer Kommunikation erzeugen. Dadurch werden NP-schwere Teilprobleme umgangen und zugleich die Anzahl der benötigten Gatteroperationen sowie der Verbrauch von Bell-Paaren minimiert. Getestet an zufälligen Netzwerktopologien und validiert auf Quantenhardware von IBM bieten diese Methoden einen skalierbaren Weg zu verteiltem Quantencomputing und Mehrparteienkommunikation. Zweitens verbessern wir die Leistungsfähigkeit von Quantenrepeater-Netzwerken der zweiten Generation durch die Einbindung bosonischer Quantenfehlerkorrektur. Wir zeigen, dass Speicher mit kürzeren Kohärenzzeiten, wenn sie durch Fehlerkorrektur geschützt sind, unkodierte Speicher mit deutlich längeren Kohärenzzeiten übertreffen können. Darüber hinaus behandeln wir das Problem der optimalen Zuweisung von Speicherpuffern in Repeater-Netzwerken, indem wir Strategien präsentieren, die Wartezeiten reduzieren und dadurch die Effizienz der Verschränkungsver-teilung verbessern. Insgesamt demonstrieren diese Ergebnisse praktische und effektive Methoden zur Leistungssteigerung und zum Voranbringen der Realisierung kurzfristig verfügbarer Quantennetzwerke.