Ashutosh K. Goswami, Valentin Savin, Mehdi Mhalla, Frédéric Dupuis, Département d'Informatique et de Recherche Opérationnelle [Montreal] (DIRO), Université de Montréal (UdeM), Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Leibniz (Leibniz - IMAG), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (CEA-LETI), Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), ANR-15-IDEX-0002,UGA,IDEX UGA(2015), Designing the Future of Computational Models (MOCQUA), Inria Nancy - Grand Est, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Department of Formal Methods (LORIA - FM), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Informatique de Grenoble (LIG ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Mhalla, Mehdi, and IDEX UGA - - UGA2015 - ANR-15-IDEX-0002 - IDEX - VALID
36 pages, 7 figures, second version extending [v1] Submitted to IEEE Transactions on Informations Theory; International audience; We provide a purely quantum version of polar codes, achieving the coherent information of any quantum channel. Our scheme relies on a recursive channel combining and splitting construction, where a two-qubit gate randomly chosen from the Clifford group is used to combine two single-qubit channels. The inputs to the synthesized bad channels are frozen by preshared EPR pairs between the sender and the receiver, so our scheme is entanglement assisted. We further show that quantum polarization can be achieved by choosing the channel combining Clifford operator randomly, from a much smaller subset of only 9 two-qubit Clifford gates. Subsequently, we show that a Pauli channel polarizes if and only if a specific classical channel over four symbol input set polarizes. We exploit this equivalence to prove fast polarization for Pauli channels, and to devise an efficient successive cancellation based decoding algorithm for such channels. Finally, we present a code construction based on chaining several quantum polar codes, which is shown to require a rate of preshared entanglement that vanishes asymptotically.