論文の概要: Markov Chain Model of Entanglement Setup in Noisy Dynamic LEO Satellite Networks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.20047v1
• Date: Tue, 23 Dec 2025 04:46:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-24 19:17:49.748647
• Title: Markov Chain Model of Entanglement Setup in Noisy Dynamic LEO Satellite Networks
• Title（参考訳）: 雑音型LEO衛星ネットワークにおける絡み合わせのマルコフ連鎖モデル
• Authors: Yifan Gao, Alvin Valera, Winston K. G. Seah,
• Abstract要約: 本稿では,リンク記憶時間と物理的距離によって定義される状態空間を持つ包括的マルコフ連鎖モデルを提案する。 我々は,要求満足度,平均待ち時間,リンク利用効率,平均消費リンク忠実度など,主要なパフォーマンス指標の分析式を導出する。 この研究は、衛星ネットワークにおける量子絡み合い分布戦略の設計と最適化のための理論的基盤と、グローバルスケールの量子通信への応用を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.736563450033072
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum entanglement routing in dynamic Low Earth Orbit (LEO) satellite networks is important for achieving scalable and high-fidelity quantum communication. However, the dynamic characteristics of satellite network topology, limited quantum resources, and strict coherence time constraints pose significant challenges to reliable entanglement routing. An entanglement distribution analysis model for this unique environment is critical and helpful for entanglement routing research. We address the fundamental challenge of establishing and maintaining quantum entanglement links between satellites operating in free space, where links are subject to both transmission losses and quantum memory decoherence. This paper presents a comprehensive Markov chain model with a state space defined by link storage age and physical distance for analyzing entanglement distribution in noisy dynamic LEO satellite quantum networks. We construct transition matrices that capture system dynamics under varying request arrival rates, and derive analytical expressions for key performance metrics, including request satisfaction rate, average waiting time, link utilization efficiency, and average consumed link fidelity. Our analysis reveals that the critical trade-offs of higher request rates lead to faster link consumption with higher fidelity but potentially lower satisfaction rates, while lower request rates allow longer storage times at the cost of lower fidelity of increased decoherence effect. Moreover, this paper proves it is reasonable to leave out polarization rotation when the transmission distance is very short (40-50 km). In summary, this work provides theoretical foundations for designing and optimizing quantum entanglement distribution strategies in satellite networks, with applications to global-scale quantum communications.
• Abstract（参考訳）: 動的低地球軌道(LEO)衛星ネットワークにおける量子絡み合いルーティングは、スケーラブルで高忠実な量子通信を実現するために重要である。 しかし、衛星ネットワークのトポロジ、限られた量子資源、厳密なコヒーレンス時間制約の動的な特性は、信頼できる絡み合いルーティングに重大な課題をもたらす。 このユニークな環境に対する絡み合い分布解析モデルは、絡み合い経路の研究に重要かつ有用である。 我々は、自由空間で動作する衛星間の量子絡み合いリンクの確立と維持に関する根本的な課題に対処する。 本稿では,雑音の多いLEO衛星量子ネットワークにおける絡み合い分布を解析するために,リンク記憶時間と物理距離で定義された状態空間を持つ包括的マルコフ連鎖モデルを提案する。 要求到着率の異なるシステムダイナミクスを捉える遷移行列を構築し、要求満足度率、平均待ち時間、リンク利用効率、平均消費リンク忠実度などの主要なパフォーマンス指標の分析式を導出する。 分析の結果,高い要求率の致命的なトレードオフは,高い信頼度を持つリンク消費の高速化につながるが,低い要求率ではデコヒーレンス効果が増大するコストで保存時間が長くなる可能性が示唆された。 さらに, 伝送距離が非常に短い場合(40～50km)に偏光回転を省略することが妥当であることを示す。 まとめると、この研究は、衛星ネットワークにおける量子エンタングルメント分布戦略の設計と最適化のための理論的基盤と、グローバルスケールの量子通信への応用を提供する。

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