Ein neuer Algorithmus könnte ein Quantensprung bei der Suche nach Gravitationswellen sein

Eine neue Methode zur Identifizierung von Gravitationswellensignalen mithilfe von Quantencomputern könnte ein wertvolles neues Werkzeug für zukünftige Astrophysiker darstellen.

Ein Team der School of Physics and Astronomy der University of Glasgow hat eine Datei entwickelt Quantenalgorithmus Um die Zeit, die benötigt wird, um Gravitationswellensignale mit einer riesigen Datenbank von Vorlagen abzugleichen, drastisch zu reduzieren.

Dieser als identische Filterung bekannte Prozess ist Teil der Methodik, die einige Gravitationswellensignalerkennungen von Detektoren wie dem Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) in Amerika und Virgo in Italien unterstützt.

Diese Detektoren, die empfindlichsten von allen, erfassen die schwachen Wellen in der Raumzeit, die durch massive astronomische Ereignisse wie Kollisionen und Verschmelzungen von Schwarzen Löchern verursacht werden.

Durch Spiegelfilterung können Computer Gravitationswellensignale aus dem Rauschen der vom Detektor gesammelten Daten auswählen. Es durchsucht die Daten und sucht nach einem Signal, das mit einer von Hunderten von Billionen möglicher Vorlagen übereinstimmt – Teile zuvor generierter Daten, die wahrscheinlich mit einem echten Gravitationswellensignal korrelieren.

Dieses Verfahren hat zwar den Nachweis vieler Gravitationswellen ermöglicht, seit LIGO im September 2015 sein erstes Signal entdeckte, es ist jedoch zeitaufwändig und ressourcenintensiv.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Physikalische Überprüfungsforschungbeschreibt das Team, wie der Prozess stark beschleunigt werden kann, indem a Quantitative Statistik Eine Technik namens Grover Algorithmus.

Grovers Algorithmus, der 1996 vom Informatiker Lov Grover entwickelt wurde, macht sich die außergewöhnlichen Fähigkeiten und Anwendungen der Quantentheorie zunutze, um Datenbanksuchen viel schneller zu machen.

Während Quantencomputer, die Daten mit dem Grover-Algorithmus verarbeiten können, immer noch eine fortschrittliche Technologie sind, können klassische Computer ihr Verhalten modellieren, was es Forschern ermöglicht, Techniken zu entwickeln, die übernommen werden können, wenn die Technologie ausgereift und Quantencomputer leicht verfügbar sind.

Das Glasgower Team ist das erste, das Grovers Algorithmus für die Zwecke der Suche nach Gravitationswellen adaptiert. In dem Artikel erklären sie, wie sie es auf die Suche nach Gravitationswellen durch eine Software angewendet haben, die sie mit der Programmiersprache Python und Qiskit, einem Quantencomputer-Simulationstool, entwickelt haben.

Das vom Team entwickelte System ist in der Lage, die Anzahl der Operationen proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Vorlagen zu beschleunigen. Aktuelle Quantenprozessoren sind bei der Durchführung grundlegender Operationen viel langsamer als herkömmliche Computer, aber mit der Weiterentwicklung der Technologie wird erwartet, dass sich ihre Leistung verbessert. Diese Verringerung der Anzahl von Berechnungen führt zu einer Beschleunigung der Zeit. Das bedeutet bestenfalls, dass, wenn beispielsweise eine Suche mit klassischem Computing ein Jahr dauert, die Suche selbst mit einem Quantenalgorithmus weniger als eine Woche dauern kann.

Dr. Scarlett Gao von der School of Physics and Astronomy der Universität ist eine der Hauptautorinnen dieser Veröffentlichung. Dr. Zhao sagte: „Match-Filterung ist ein Problem, für dessen Lösung Grovers Algorithmus gut positioniert zu sein scheint, und wir konnten ein System entwickeln, das zeigt, dass Quantencomputer wertvolle Anwendungen in der Gravitationswellenastronomie haben können.

„Meine Co-Autoren und ich waren Doktoranden, als wir mit dieser Arbeit begannen, und wir haben das Glück, während des Entwicklungsprozesses dieses Programms Unterstützung von einigen der führenden britischen Forscher im Bereich Quantencomputing und Gravitationswellen zu erhalten.

„Obwohl wir uns in diesem Artikel auf eine Art von Forschung konzentriert haben, ist es auch möglich, sie an andere Prozesse anzupassen, wie z. B. diesen, die kein Quantenladen von Datenbanken erfordern RAM. „

Fergus Hayes, Ph.D. Als Student an der School of Physics and Astronomy ist er Co-Autor der Forschung. Er fügte hinzu: „Forscher hier in Glasgow arbeiten seit über 50 Jahren an der Gravitationswellenphysik, und die Arbeit an unserem Institut für Gravitationsforschung hat dazu beigetragen, Aspekte der Datenentwicklung und -analyse bei LIGO zu unterstützen.

„Die interdisziplinäre Arbeit, die Dr. Zhao und ich geleitet haben, hat das Potenzial des Quantencomputings bei der identischen Filterung aufgezeigt. Da sich Quantencomputer in den kommenden Jahren weiterentwickeln, ist es möglich, dass solche Prozesse in Zukunft in Gravitationswellendetektoren eingesetzt werden. Eine aufregende Aussicht.“ , und wir freuen uns auf die zukünftige Entwicklung dieses ersten Machbarkeitsnachweises.“

Dieses Papier wurde gemeinsam von Dr. Sarah Crook, Dr. Christopher Messenger und Dr. John Fitch verfasst, alle von der University of Glasgow School of Physics and Astronomy.

Das Papier des Teams, „A Quantum Algorithm for Gravitational Wave Matching Filtering“, ist in veröffentlicht Physikalische Überprüfungsforschung.