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双向器件是指输入与输出端口角色可互换的器件。从数学角度而言，这类器件由双随机量子通道描述，即同时满足保迹性和保恒等性的完全正线性映射。最新研究表明，双向量子器件原则上可通过与明确输入-输出方向不相容的方式加以利用，从而催生被称为“输入-输出不定性”的新现象。本文系统刻画了输入-输出不定性的最普遍形式，这些形式与基于双随机量子通道变换构建的高阶变换层级结构相关联。该层级中的某些级别对应着以明确因果顺序组合双随机通道的变换，同时普遍在每个通道中采用不定输入-输出方向；而其他级别的变换则可能同时涉及各过程的局部输入-输出方向与过程间的全局因果顺序。在理论基础层面，本文刻画的高阶变换层级结构可视为与量子理论时间对称变体兼容的最大物理过程集合——其中可能的状态变换被限定为双随机通道。