[论文解读] Breaking the Storage-Bandwidth Tradeoff in Distributed Storage with Quantum Entanglement

Lei Hu, Mohamed Nomeir+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 0

一句话总结

论文引入分布式存储中的纠缠辅助修复，表明量子通信可以降低修复带宽，并且在 d ≥ 2k−2 时，实现存储与带宽的联合最小化，打破传统的权衡。

ABSTRACT

This work investigates the use of quantum resources in distributed storage systems. Consider an $(n,k,d)$ distributed storage system in which a file is stored across $n$ nodes such that any $k$ nodes suffice to reconstruct the file. When a node fails, any $d$ helper nodes transmit information to a newcomer to rebuild the system. In contrast to the classical repair, where helper nodes transmit classical bits, we allow them to send classical information over quantum channels to the newcomer. The newcomer then generates its storage by performing appropriate measurements on the received quantum states. In this setting, we fully characterize the fundamental tradeoff between storage and repair bandwidth (total communication cost). Compared to classical systems, the optimal storage--bandwidth tradeoff can be significantly improved with the enhancement of quantum entanglement shared only among the surviving nodes, particularly at the minimum-storage regenerating point. Remarkably, we show that when $d \geq 2k-2$, there exists an operating point at which extit{both storage and repair bandwidth are simultaneously minimized}. This phenomenon breaks the tradeoff in the classical setting and reveals a fundamentally new regime enabled by quantum communication.

研究动机与目标

• 通过使用量子资源，推动在经典极限之外改进分布式存储修复效率的动机。
• 表征(n,k,d)系统的量子辅助存储–修复带宽权衡。
• 展示生存节点之间的预共享纠缠如何影响 MSR/MBR 点及整体性能。
• 提供直觉与推论，展示在 MSR 与 MBR 点的量子优势。

提出的方法

• 建模一个具量子使能修复的(n,k,d)分布式存储系统，其中 d 个辅助节点将 beta_q 个量子比特传送给新节点。
• 假设这 d 个辅助节点共享一个预先建立的纠缠态，并使用 CPTP 映射将数据编码到量子态。
• 新节点对接收的量子系统执行 POVM，以重构本地存储的 alpha dits。
• 推导一个量子化的割集界限，将经典界限推广到纠缠辅助修复。
• 给出对立论证与可实现性要点，并通过推论专门化到 QMSR 和 QMBR 点。

实验结果

研究问题

• RQ1 纠缠辅助修复如何改变(n,k,d)分布式存储系统中存储–修复带宽的基本权衡？
• RQ2 量子 MSR 与 MBR 工作点是什么，与经典对应点相比有何差异？
• RQ3 在哪些条件下量子资源打破或统一经典权衡（如 d ≥ 2k−2）？

主要发现

• 建立了量子版本的权衡：sum_{i=0}^{k-1} min{2(d−i)β_q, dβ_q, α} ≥ B。
• 在量子 MSR 点，α^QMSR = B/k 且 β_q^QMSR = (B/k)·max{1, d/[2(d−k+1)]}。
• 在量子 MBR 点，α^QMBR 和 dβ_q^QMBR 由推论给出，且以 B,k,d 的特定表达式表示。
• 当 d ≥ 2k−2 时，QMSR 与 QMBR 重合，得到一个同时最小化存储与修复带宽的单一工作点。
• 对于 d ≤ 2k−2，量子修复在 MSR 点使每个辅助节点带宽最多降低一倍，并提供一个独立的 QMBR 点。
• 示例说明量子相对于经典权衡的优势，特别是在 MSR 架构中。