Un nou algoritm ar putea fi un salt cuantic în căutarea undelor gravitaționale

O nouă metodă de identificare a semnalelor undelor gravitaționale folosind calculul cuantic ar putea oferi un nou instrument valoros pentru viitorii astrofizicieni.

O echipă de la Școala de Fizică și Astronomie de la Universitatea din Glasgow a dezvoltat un algoritm cuantic pentru a reduce dramatic timpul necesar pentru a potrivi semnalele undelor gravitaționale cu o bază de date mare de modele.

Acest proces, cunoscut sub numele de filtrare potrivită, face parte din metodologia din spatele unora dintre descoperirile semnalelor undelor gravitaționale de la detectoare, cum ar fi Observatorul gravitațional cu interferometru cu laser (LIGO) din America și Fecioara din Italia.

Acești detectoare, cei mai sensibili senzori creați vreodată, captează valuri slabe din spațiu-timp cauzate de evenimente astronomice masive, cum ar fi coliziunile și fuziunile găurilor negre.

Filtrarea potrivită permite computerelor să elimine semnalele undelor gravitaționale din zgomotul datelor colectate de detector. Funcționează prin filtrarea datelor, căutând un semnal care se potrivește cu unul dintre sutele de trilioane de modele potențiale – date pre-create care probabil se corelează cu un semnal gravitațional real. .

Deși procesul a făcut multe detectări de unde gravitaționale de când LIGO a preluat primul său semnal în septembrie 2015, este consumator de timp și de resurse.

Într-un nou articol publicat în jurnal Cercetarea examenului fizicechipa descrie modul în care procesul ar putea fi foarte accelerat de a calculul cuantic tehnică numită Grover algoritm.

Algoritmul lui Grover, dezvoltat de informaticianul Lov Grover în 1996, exploatează capacitățile și aplicațiile neobișnuite ale teoriei cuantice pentru a accelera procesul de căutare prin baze de date.

În timp ce computerele cuantice capabile să prelucreze date folosind algoritmul lui Grover sunt încă o tehnologie în curs de dezvoltare, computerele convenționale sunt capabile să își modeleze comportamentul, permițând cercetătorilor să dezvolte tehnici care pot fi adoptate atunci când tehnologia sa maturizat și calculatoarele cuantice sunt ușor disponibile.

Echipa din Glasgow este prima care a adaptat algoritmul lui Grover în scopul căutării undelor gravitaționale. În lucrare, ei demonstrează cum l-au aplicat cercetării undelor gravitaționale prin intermediul software-ului pe care l-au dezvoltat folosind limbajul de programare Python și Qiskit, un instrument de simulare a proceselor de calcul cuantic.

Sistemul dezvoltat de echipă este capabil să accelereze numărul de operații proporțional cu rădăcina pătrată a numărului de modele. Procesoarele cuantice actuale sunt mult mai lente pentru a efectua operațiuni de bază decât computerele clasice, dar pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, performanța lor ar trebui să se îmbunătățească. Această reducere a numărului de calcule ar avea ca rezultat o accelerare în timp. În cel mai bun scenariu, aceasta înseamnă că, de exemplu, dacă o căutare folosind calculul clasic ar dura un an, aceeași căutare ar putea dura chiar și o săptămână cu algoritmul lor cuantic.

Dr. Scarlett Gao, de la Școala de Fizică și Astronomie a Universității, este unul dintre autorii principali ai lucrării. Dr Gao a spus: „Filtrarea adaptivă este o problemă pe care algoritmul lui Grover pare bine plasat pentru a ajuta la rezolvarea și am reușit să dezvoltăm un sistem care arată că calculul cuantic ar putea avea aplicații valoroase în astronomia undelor gravitaționale.

„Coautorul meu și cu mine eram doctoranzi când am început această lucrare și suntem norocoși că am avut acces la sprijin din partea unora dintre cei mai importanți cercetători de calcul cuantic și unde gravitaționale din Marea Britanie în timpul procesului de dezvoltare a acestui software.

„Deși ne-am concentrat pe un tip de căutare în acest articol, este posibil ca aceasta să poată fi adaptată și la alte procese care, ca acesta, nu necesită încărcarea bazei de date în quantum. memorie cu acces aleator.”

Fergus Hayes, Ph.D. student la Școala de Fizică și Astronomie, este co-autor principal al articolului. El a adăugat: „Cercetătorii de aici din Glasgow au lucrat la fizica undelor gravitaționale de peste 50 de ani, iar munca la Institutul nostru de Cercetare Gravitațională a contribuit la sprijinirea aspectelor de dezvoltare și analiză a datelor ale LIGO.

„Lucrările interdisciplinare pe care Dr. Gao și cu mine am efectuat-o au demonstrat potențialul calculului cuantic în filtrarea potrivită. Pe măsură ce computerele cuantice se dezvoltă în următorii ani, este posibil ca procese ca acestea să poată fi utilizate în viitorii detectoare de unde gravitaționale. Acesta este un program interesant. perspective și așteptăm cu nerăbdare să dezvoltăm această primă dovadă a conceptului în viitor.”

Articolul a fost co-autor de Dr. Sarah Croke, Dr. Christopher Messenger și Dr. John Veitch, toți de la Școala de Fizică și Astronomie de la Universitatea din Glasgow.

Lucrarea echipei, intitulată „Un algoritm cuantic pentru filtrarea adaptivă a undelor gravitaționale”, este publicată în Cercetarea examenului fizic.