[論文レビュー] Fidelity-Age-Aware Scheduling in Quantum Repeater Networks

Ozgur Ercetin, Z. Gedik|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2026

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ひとこと要約

The paper defines Fidelity-Age (FA) for entanglement freshness, develops a renewal-based control framework, and proposes FA-THR and FA-INDEX schedulers that preserve throughput while dramatically reducing extreme-age events in quantum repeater networks.

ABSTRACT

Quantum repeater networks distribute entanglement over long distances but must balance fidelity, delay, and resource contention. Prior work optimized throughput and end-to-end fidelity, yet little attention has been paid to the freshness of entanglement-the time since a usable Bell pair was last delivered. We introduce the Fidelity-Age (FA) metric, which measures this interval for states whose fidelity exceeds a threshold Fmin. A renewal formulation links slot-level success probability to long-run average FA, enabling a stochastic control problem that minimizes FA under budget and memory limits. Two lightweight schedulers, FA-THR and FA-INDEX, approximate Lyapunov-drift-optimal control. Simulations on slotted repeater grids show that FA-aware scheduling preserves throughput while reducing extreme-age events by up to two orders of magnitude. Fidelity-Age thus provides a tractable, physically grounded metric for reliable and timely entanglement delivery in quantum networks.

研究の動機と目的

• Fidelity-Age (FA) 指標を、最後に使用可能な纠(entangled)対の時点からの経過時間として定義する（fidelity ≥ F_min）。
• 予算とメモリ制約の下で長期的な FA を最小化する確率的制御問題を定式化する。
• Lyapunov-漂移の概念に基づく実用的な FA対応スケジューラ（FA-THR および FA-INDEX）を開発する。
• デコヒーレンスの下でスループット、公平性、尾部年齢性能を評価するためにシミュレーションで FA対応方針を評価する。

提案手法

• 確率的リンク成功、メモリ減衰、精製、スワップを伴うスロット化された量子リピータ網をモデル化する。
• F_min を超える忠実度を持つエンドツーエンド経路と、スワップ成功を「使用可能な納品」と定義する。
• スロットレベルの成功確率を、 renewal 形式（定理1）を通じて長期 FA に関連付ける。
• 漂移最小化に触発された低計算量の FA対応スケジューラ（FA-THR および FA-INDEX）を提案する（式 (Eq. 14) に基づく）。
• 3×3 グリッド上で、異質な経路と有限予算を用いたモンテカルロシミュレーションで性能を検証する。

(a) CDF of per-flow ages $A_{sd}(t)$ showing the empirical distribution of flow-age samples used in Eqs. ( 17 )–( 19 ). FA-aware schedulers (FA-THR, FA-INDEX) exhibit sharply bounded tails, whereas throughput-driven baselines (TP-MAX, FID-MAX) produce heavy-tailed delay and starvation.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メモリと忠実度制約の下で、エンタングルメントのスケジューリングは新鮮さ（FA）とスループットのバランスをどうとるべきか。
• RQ2 FA対応スケジューリングは、全体納品率を犠牲にせずに極端な尾部年齢イベントを減らせるか。
• RQ3 経路長の異質性と有限コヒーレンス時間は、FA対応方針の性能にどのように影響するか。

主な発見

Policy	Abar	A95	Throughput	Jain	Starvation
TP-MAX	2.75×10^4	5.5×10^4	6.61	0.75	0.25
FID-MAX	2.75×10^4	5.5×10^4	6.61	0.75	0.25
FA-THR(5)	0.77	1.34	6.60	0.89	0.00
FA-INDEX	0.67	2.11	6.61	0.91	0.01

• FA対応スケジューラは、スループット主導のベースラインと比較して、極端な尾部年齢イベントを最大で2桁減らす。
• FA-INDEX は、公平性が高く（ Jain 指数 ≈ 0.91）、ロード間でほぼ一定のスループットと最小限の飢餓状態を実現。
• 負荷下で、FA-THR および FA-INDEX は、スループット対尾部年齢のパレート前線を支配する。
• 精製と高い F_min は A_95 を押し上げ、スループットを低下させる可能性があるが、FA対応制御は尾部年齢を有界に保つ適応を示す。
• 異質または有限コヒーレンス領域では、FA対応制御は貪欲な代替案よりも尾部性能と安定性を保つ。

(b) Scatter plot of mean throughput (Eq. ( 17 )) versus the 95% conditional value-at-risk of flow age ( $\mathrm{CVaR}_{95}$ , Eq. ( 19 )). Each point corresponds to one scheduler. FA-aware policies achieve Pareto-efficient trade-offs, maintaining throughput comparable to TP-MAX while reducing extre