Ny algoritme kunne være et kvantespring i søgen efter gravitationsbølger

En ny metode til at identificere gravitationsbølgesignaler ved hjælp af kvanteberegning kan give et værdifuldt nyt værktøj for fremtidige astrofysikere.

Et hold fra University of Glasgow's School of Physics &Astronomy har udviklet en kvantealgoritme til drastisk at reducere den tid, det tager at matche gravitationsbølgesignaler mod en enorm database af skabeloner.

Denne proces, kendt som matchet filtrering, er en del af metoden, der understøtter nogle af gravitationsbølgesignalopdagelserne fra detektorer som Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) i Amerika og Jomfruen i Italien.

Disse detektorer, de mest følsomme sensorer, der nogensinde er skabt, opfanger de svage krusninger i rumtiden forårsaget af massive astronomiske begivenheder som kollision og sammensmeltning af sorte huller.

Matchet filtrering gør det muligt for computere at vælge gravitationsbølgesignaler ud af støjen fra de data, der indsamles af detektoren. Det fungerer ved at gennemsøge dataene og søge efter et signal, der matcher et ud af potentielt hundreder af billioner af skabeloner - stykker af forudskabte data, som sandsynligvis vil korrelere med et ægte gravitationsbølgesignal.

Selvom processen har muliggjort adskillige gravitationsbølgedetekteringer, siden LIGO opfangede sit første signal i september 2015, er den tidskrævende og ressourcekrævende.

I et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Research , beskriver holdet, hvordan processen kunne accelereres kraftigt af en kvanteberegningsteknik kaldet Grovers algoritme.

Grovers algoritme, udviklet af datalogen Lov Grover i 1996, udnytter kvanteteoriens usædvanlige muligheder og anvendelser for at gøre processen med at søge gennem databaser meget hurtigere.

Mens kvantecomputere, der er i stand til at behandle data ved hjælp af Grovers algoritme, stadig er en teknologi under udvikling, er konventionelle computere i stand til at modellere deres adfærd, hvilket giver forskere mulighed for at udvikle teknikker, som kan tages i brug, når teknologien er modnet, og kvantecomputere er let tilgængelige.

Glasgow-teamet er de første til at tilpasse Grovers algoritme med henblik på gravitationsbølgesøgning. I papiret demonstrerer de, hvordan de har anvendt det til gravitationsbølgesøgninger gennem software, de udviklede ved hjælp af Python-programmeringssproget og Qiskit, et værktøj til simulering af kvanteberegningsprocesser.

Det system, teamet udviklede, er i stand til at øge antallet af operationer proportionalt med kvadratroden af ​​antallet af skabeloner. Nuværende kvanteprocessorer er meget langsommere til at udføre grundlæggende operationer end klassiske computere, men efterhånden som teknologien udvikler sig, forventes deres ydeevne at blive bedre. Denne reduktion i antallet af beregninger ville udmønte sig i en hurtigere hastighed. I bedste tilfælde betyder det, at hvis en søgning ved hjælp af klassisk databehandling for eksempel ville tage et år, kunne den samme søgning tage så lidt som en uge med deres kvantealgoritme.

Dr. Scarlett Gao, fra universitetets School of Physics &Astronomy, er en af ​​hovedforfatterne af papiret. Dr. Gao sagde:"Matchet filtrering er et problem, som Grovers algoritme synes godt placeret til at hjælpe med at løse, og vi har været i stand til at udvikle et system, der viser, at kvanteberegning kan have værdifulde anvendelser inden for gravitationsbølgeastronomi.

"Min medforfatter og jeg var ph.d.-studerende, da vi begyndte dette arbejde, og vi er heldige at have haft adgang til støtte fra nogle af Storbritanniens førende kvantecomputere og gravitationsbølgeforskere under processen med at udvikle denne software .

"Mens vi har koncentreret os om én type søgning i dette papir, er det muligt, at det også kan tilpasses til andre processer, som, som denne, ikke kræver, at databasen indlæses i kvante-random access memory."

Fergus Hayes, en ph.d. studerende på School of Physics &Astronomy, er co-lead forfatter af papiret. Han tilføjede:"Forskere her i Glasgow har arbejdet med gravitationsbølgefysik i mere end 50 år, og arbejdet i vores Institut for Gravitationsforskning hjalp med at understøtte udviklingen og dataanalysesiden af ​​LIGO.

"Det tværfaglige arbejde, som Dr. Gao og jeg ledede, har demonstreret potentialet ved kvanteberegning i matchet filtrering. Efterhånden som kvantecomputere udvikler sig i de kommende år, er det muligt, at processer som disse kan bruges i fremtidige gravitationsbølgedetektorer. Det er en spændende udsigter, og vi ser frem til at udvikle dette indledende proof of concept i fremtiden."

Artiklen er skrevet i fællesskab af Dr. Sarah Croke, Dr. Christopher Messenger og Dr. John Veitch, alle fra University of Glasgow's School of Physics &Astronomy.

Holdets papir, med titlen "A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering," er offentliggjort i Physical Review Research . + Udforsk yderligere

Gravitationsbølgespejleksperimenter kan udvikle sig til kvanteenheder