Nový algoritmus by mohl být kvantovým skokem v hledání gravitačních vln

Nová metoda pro identifikaci signálů gravitačních vln pomocí kvantového počítání by mohla poskytnout cenný nový nástroj pro budoucí astrofyziky.

Tým z University of Glasgow’s School of Physics and Astronomy vyvinul soubor Kvantový algoritmus Drasticky zkrátit čas potřebný k porovnání signálů gravitačních vln s obrovskou databází šablon.

Tento proces, známý jako identické filtrování, je součástí metodologie, která podporuje některé detekce signálů gravitačních vln z detektorů, jako je Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) v Americe a Virgo v Itálii.

Tyto detektory, nejcitlivější ze všech, zachycují slabé vlnění v časoprostoru způsobené masivními astronomickými událostmi, jako jsou srážky a slučování černých děr.

Zrcadlové filtrování umožňuje počítačům vybrat signály gravitačních vln ze šumu dat shromážděných detektorem. Funguje tak, že prochází data a hledá signál, který odpovídá jedné ze stovek bilionů možných šablon – kusů dříve generovaných dat, která pravděpodobně korelují se skutečným signálem gravitační vlny.

I když tento proces umožnil detekci mnoha gravitačních vln od té doby, co LIGO detekovalo svůj první signál v září 2015, je časově náročný a náročný na zdroje.

V novém článku publikovaném v časopise Výzkum fyzického přehledutým popisuje, jak lze proces výrazně urychlit pomocí a Kvantitativní statistika Technika zvaná Grover’s algoritmus.

Groverův algoritmus, vyvinutý počítačovým vědcem Lovem Groverem v roce 1996, využívá mimořádné schopnosti a aplikace kvantové teorie k mnohem rychlejšímu vyhledávání v databázi.

Zatímco kvantové počítače schopné zpracovávat data pomocí Groverova algoritmu jsou stále pokročilou technologií, klasické počítače jsou schopny modelovat její chování, což umožňuje výzkumníkům vyvinout techniky, které lze převzít, když technologie dospěje a kvantové počítače jsou snadno dostupné.

Glasgowský tým je první, kdo adaptoval Groverův algoritmus pro účely hledání gravitačních vln. V článku vysvětlují, jak to použili při hledání gravitačních vln pomocí softwaru, který vyvinuli pomocí programovacího jazyka Python a Qiskit, nástroje pro simulaci kvantových počítačů.

Systém vyvinutý týmem je schopen zrychlit počet operací v poměru k druhé odmocnině počtu šablon. Současné kvantové procesory jsou v provádění základních operací mnohem pomalejší než běžné počítače, ale s vývojem technologií se očekává, že se jejich výkon zlepší. Toto snížení počtu výpočtů se promítne do zrychlení času. V nejlepším případě to znamená, že pokud například vyhledávání pomocí klasického výpočtu trvá rok, samotné vyhledávání může pomocí kvantového algoritmu trvat méně než týden.

Dr. Scarlett Gao z University of Physics and Astronomy School of Physics and Astronomy je jedním z hlavních autorů tohoto článku. Dr Zhao řekl: „Filtrování shody je problém, který Groverův algoritmus může pomoci vyřešit, a my jsme byli schopni vyvinout systém, který demonstruje, že kvantové výpočty mohou mít cenné aplikace v astronomii gravitačních vln.

„Moji spoluautoři a já jsme byli doktorandi, když jsme začali s touto prací, a máme štěstí, že jsme během procesu vývoje tohoto programu měli podporu od některých předních britských výzkumníků v oblasti kvantových počítačů a gravitačních vln.

„I když jsme se v tomto článku zaměřili na jeden typ výzkumu, je také možné jej přizpůsobit jiným procesům, jako je tento, které nevyžadují kvantové načítání databáze. RAM. „

Fergus Hayes, Ph.D. Je studentem Fyzikální a astronomické školy a je spoluautorem výzkumu. Dodal: „Výzkumníci zde v Glasgow pracují na fyzice gravitačních vln více než 50 let a práce v našem Institutu pro výzkum gravitace pomohla podpořit aspekty vývoje a analýzy dat v LIGO.

„Interdisciplinární práce, kterou jsme s Dr. Zhao vedli, prokázala potenciál kvantových počítačů při identickém filtrování. S rozvojem kvantových počítačů v nadcházejících letech je možné, že takové procesy budou v budoucnu použity v detektorech gravitačních vln. Vzrušující vyhlídka a těšíme se na vývoj tohoto prvního proof of concept v budoucnu.“

Tento článek byl spoluautory Dr. Sarah Crookové, Dr. Christophera Messengera a Dr. Johna Fitche, všichni z University of Glasgow School of Physics and Astronomy.

Práce týmu „Kvantový algoritmus pro filtrování shody gravitačních vln“ je publikována v Výzkum fyzického přehledu.