Nový algoritmus by mohol byť kvantovým skokom pri hľadaní gravitačných vĺn

Nová metóda identifikácie signálov gravitačných vĺn pomocou kvantových výpočtov by mohla poskytnúť cenný nový nástroj pre budúcich astrofyzikov.

Tím z Fakulty fyziky a astronómie Glasgowskej univerzity vyvinul a kvantový algoritmus Aby sa drasticky skrátil čas potrebný na porovnanie signálov gravitačných vĺn s rozsiahlou databankou šablón.

Tento proces, známy ako milánske filtrovanie, je súčasťou metódy, ktorá je základom vyhľadávania signálov gravitačných vĺn z detektorov, ako je laserové interferometrové gravitačné observatórium (LIGO) v USA a Virgo v Taliansku.

Tieto detektory, najcitlivejšie senzory, aké boli kedy skonštruované, zachytávajú slabé vlny v časopriestore spôsobené masívnymi nebeskými udalosťami, ako sú zrážky a zlúčenie čiernych dier.

Filtrovanie zhody umožňuje počítaču vybrať signály gravitačných vĺn zo šumu údajov zozbieraných detektorom. Funguje tak, že prechádza dátami a hľadá signál, ktorý sa potenciálne zhoduje s jednou zo stoviek biliónov šablón – kúskov vopred vygenerovaných údajov, ktoré pravdepodobne korelujú so skutočným signálom gravitačnej vlny.

Proces, ktorý umožnil detekciu mnohých gravitačných vĺn odkedy LIGO zachytil svoj prvý signál v septembri 2015, je časovo náročný a náročný na zdroje.

V novom článku uverejnenom v časopise fyzický prehľadový výskumTím popisuje, ako implementovať proces v . možno urýchliť kvantové výpočty Groverova technika Algoritmus,

Groverov algoritmus, vyvinutý počítačovým vedcom Luv Groverom v roku 1996, využíva nezvyčajné schopnosti a aplikácie kvantovej teórie na výrazné zrýchlenie procesu vyhľadávania v databázach.

Zatiaľ čo kvantové počítače schopné spracovávať dáta pomocou Groverovho algoritmu sú stále rozvíjajúcou sa technológiou, tradičné počítače sú schopné modelovať svoje správanie, čo umožňuje výskumníkom vyvíjať techniky, ktoré možno vyvíjať, keď technológia dozrieva. Kvantové počítače sa dajú ľahko prijať, keď budú dostupné.

Glasgowský tím je prvým, ktorý adaptoval Groverov algoritmus na účely detekcie gravitačných vĺn. V príspevku demonštrujú, ako ho aplikovali na vyhľadávanie gravitačných vĺn prostredníctvom softvéru vyvinutého pomocou programovacieho jazyka Python a nástroja Qiskit, ktorý je nástrojom na simuláciu kvantových výpočtových procesov.

Systém vyvinutý tímom je schopný zrýchliť počet operácií úmerne druhej odmocnine počtu šablón. Súčasné kvantové procesory sú oveľa pomalšie pri vykonávaní základných operácií ako klasické počítače, ale očakáva sa, že ich výkon sa bude s vývojom technológie zlepšovať. Toto zníženie počtu výpočtov sa časom premietne do rýchlosti. V najlepšom prípade to znamená, že ak by napríklad vyhľadávanie pomocou klasickej výpočtovej techniky trvalo rok, rovnaké vyhľadávanie by s ich kvantovým algoritmom mohlo trvať len týždeň.

Dr. Scarlett Gao z Univerzitnej fakulty fyziky a astronómie je jedným z hlavných autorov článku. Dr Gao povedal: „Filtrovanie zhody je problém, ktorý má Groverov algoritmus dobre vyriešiť, a podarilo sa nám vyvinúť systém, ktorý ukazuje, ako možno použiť astronómiu gravitačných vĺn v kvantových výpočtoch.“ môže mať cenné aplikácie.

„Moji spoluautori a ja sme boli doktorandmi, keď sme začali s touto prácou, a máme to šťastie, že máme prístup k podpore niektorých popredných britských výskumníkov v oblasti kvantových výpočtov a gravitačných vĺn počas procesu vývoja tohto softvéru.

„Aj keď sme sa v tomto článku zamerali na jeden typ objavu, je možné, že by sa dal prispôsobiť aj iným procesom, a to bez toho, aby bolo potrebné načítať databázu do kvantového Náhodný vstup do pamäťe,

Fergus Hayes, Ph.D. študent Fyziky a astronómie, je spoluautorom článku. Pokračoval: „Výskumníci tu v Glasgowe pracujú na fyzike gravitačných vĺn už viac ako 50 rokov a práca v našom Gravitation Research Institute pomohla uľahčiť vývoj a analýzu údajov LIGO.

„Viacodborová práca, ktorú sme s Dr. Gao viedli, preukázala potenciál kvantových výpočtov pri porovnávacom filtrovaní. S rozvojom kvantových počítačov v nadchádzajúcich rokoch je možné, že v budúcnosti sa môžu použiť detektory gravitačných vĺn. vzrušujúca perspektíva, že takéto procesy možno použiť, a tešíme sa na vývoj tohto skorého dôkazu koncepcie v budúcnosti.“

Článok bol spoluautorom Dr. Sarah Kroc, Dr. Christopher Messenger a Dr. Napísal ju John Veitch.

Práca tímu s názvom „Kvantový algoritmus pre filtrovanie zhody gravitačných vĺn“ je publikovaná v fyzický prehľadový výskum,