Kredit:CC0 Public Domain
En ny metod för att identifiera gravitationsvågsignaler med hjälp av kvantberäkning kan ge ett värdefullt nytt verktyg för framtida astrofysiker.
Ett team från University of Glasgows School of Physics &Astronomy har utvecklat en kvantalgoritm för att drastiskt minska tiden det tar att matcha gravitationsvågsignaler mot en stor databank av mallar.
Denna process, känd som matchad filtrering, är en del av den metod som ligger till grund för några av gravitationsvågsignalens upptäckter från detektorer som Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) i Amerika och Virgo i Italien.
Dessa detektorer, de känsligaste sensorerna som någonsin skapats, fångar upp de svaga krusningarna i rymdtiden som orsakas av massiva astronomiska händelser som kollision och sammanslagning av svarta hål.
Matchad filtrering gör att datorer kan plocka gravitationsvågsignaler från bruset från data som samlas in av detektorn. Det fungerar genom att sålla igenom data, söka efter en signal som matchar en av potentiellt hundratals biljoner mallar – bitar av förskapade data som sannolikt kommer att korrelera med en äkta gravitationsvågssignal.
Även om processen har möjliggjort många gravitationsvågsdetektioner sedan LIGO tog sin första signal i september 2015, är den tidskrävande och resurskrävande.
I en ny artikel publicerad i tidskriften Physical Review Research , beskriver teamet hur processen kan påskyndas avsevärt med en kvantberäkningsteknik som kallas Grovers algoritm.
Grovers algoritm, utvecklad av datavetaren Lov Grover 1996, utnyttjar kvantteorins ovanliga möjligheter och tillämpningar för att göra processen att söka igenom databaser mycket snabbare.
Medan kvantdatorer som kan bearbeta data med Grovers algoritm fortfarande är en teknologi under utveckling, är konventionella datorer kapabla att modellera sitt beteende, vilket gör att forskare kan utveckla tekniker som kan användas när tekniken har mognat och kvantdatorer är lättillgängliga.
Glasgow-teamet är de första att anpassa Grovers algoritm för gravitationsvågsökning. I uppsatsen visar de hur de har tillämpat det på gravitationsvågsökningar genom mjukvara som de utvecklat med programmeringsspråket Python och Qiskit, ett verktyg för att simulera kvantberäkningsprocesser.
Systemet som teamet utvecklade kan öka antalet operationer proportionellt mot kvadratroten av antalet mallar. Nuvarande kvantprocessorer är mycket långsammare på att utföra grundläggande operationer än klassiska datorer, men allt eftersom tekniken utvecklas förväntas deras prestanda förbättras. Denna minskning av antalet beräkningar skulle leda till en snabbare tid. I bästa fall betyder det att, till exempel, om en sökning med klassisk beräkning skulle ta ett år, kan samma sökning ta så lite som en vecka med deras kvantalgoritm.
Dr Scarlett Gao, från University's School of Physics &Astronomy, är en av uppsatsens huvudförfattare. Dr. Gao sa:"Matchad filtrering är ett problem som Grovers algoritm verkar välplacerad för att hjälpa till att lösa, och vi har kunnat utveckla ett system som visar att kvantberäkning kan ha värdefulla tillämpningar inom gravitationsvågastronomi.
"Min medförfattare och jag var doktorander när vi började det här arbetet, och vi har tur som har haft tillgång till stöd från några av Storbritanniens ledande kvantberäknings- och gravitationsvågforskare under processen att utveckla denna programvara .
"Medan vi har koncentrerat oss på en typ av sökning i den här artikeln, är det möjligt att den också kan anpassas för andra processer som, som den här, inte kräver att databasen laddas in i kvantminnet för random access."
Fergus Hayes, en Ph.D. student vid School of Physics &Astronomy, är medförfattare till uppsatsen. Han tillade:"Forskare här i Glasgow har arbetat med gravitationsvågsfysik i mer än 50 år, och arbetet i vårt Institute for Gravitational Research hjälpte till att underbygga utvecklingen och dataanalyssidorna av LIGO.
"Det tvärvetenskapliga arbete som Dr. Gao och jag ledde har visat potentialen hos kvantberäkningar i matchad filtrering. När kvantdatorer utvecklas under de kommande åren är det möjligt att processer som dessa kan användas i framtida gravitationsvågsdetektorer. Det är en spännande prospekt, och vi ser fram emot att utveckla detta första proof of concept i framtiden."
Uppsatsen skrevs tillsammans av Dr. Sarah Croke, Dr. Christopher Messenger och Dr. John Veitch, alla från University of Glasgows School of Physics &Astronomy.
Teamets artikel, med titeln "A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering", publiceras i Physical Review Research . + Utforska vidare
