Новый алгоритм может стать квантовым скачком в поисках гравитационных волн

Новый метод идентификации сигналов гравитационных волн с использованием квантовых вычислений может стать ценным новым инструментом для будущих астрофизиков.

Команда из Школы физики и астрономии Университета Глазго разработала квантовый алгоритм, который резко сокращает время, необходимое для сопоставления сигналов гравитационных волн с обширным банком данных шаблонов.

Этот процесс, известный как согласованная фильтрация, является частью методологии, которая лежит в основе некоторых открытий сигналов гравитационных волн с помощью таких детекторов, как Лазерная интерферометрическая гравитационная обсерватория (LIGO) в Америке и Virgo в Италии.

Эти детекторы, самые чувствительные датчики из когда-либо созданных, улавливают слабую рябь в пространстве-времени, вызванную крупными астрономическими событиями, такими как столкновение и слияние черных дыр.

Согласованная фильтрация позволяет компьютерам выделять сигналы гравитационных волн из шума данных, собранных детектором. Он работает, просеивая данные, ища сигнал, который соответствует одному из потенциально сотен триллионов шаблонов — фрагментов заранее созданных данных, которые, вероятно, коррелируют с подлинным сигналом гравитационной волны.

Хотя этот процесс позволил обнаружить многочисленные гравитационные волны с тех пор, как LIGO зафиксировал свой первый сигнал в сентябре 2015 года, он требует много времени и ресурсов.

В своей новой работе команда описывает, как процесс можно значительно ускорить с помощью техники квантовых вычислений, называемой алгоритмом Гровера .

Алгоритм Гровера, разработанный ученым-компьютерщиком Ловом Гровером в 1996 году, использует необычные возможности и приложения квантовой теории, чтобы значительно ускорить процесс поиска в базах данных.

В то время как квантовые компьютеры, способные обрабатывать данные с использованием алгоритма Гровера, все еще находятся в стадии разработки, обычные компьютеры способны моделировать свое поведение, что позволяет исследователям разрабатывать методы, которые могут быть приняты, когда технология «созреет» и квантовые компьютеры станут доступны.

Команда из Глазго первой адаптировала алгоритм Гровера для поиска гравитационных волн. В работе они демонстрируют, как они применяли его для поиска гравитационных волн с помощью программного обеспечения, которое они разработали с использованием языка программирования Python и Qiskit, инструмента для моделирования процессов квантовых вычислений.

Система, разработанная командой, способна ускорить количество операций, пропорциональное квадратному корню из числа шаблонов. Современные квантовые процессоры намного медленнее выполняют основные операции, чем классические компьютеры, но ожидается, что по мере развития технологии их производительность будет улучшаться. Это сокращение количества вычислений приведет к ускорению во времени. В лучшем случае это означает, что, например, если поиск с использованием классических вычислений займет год, то такой же поиск может занять всего неделю с их квантовым алгоритмом, пишет phys.org.

Доктор Скарлетт Гао из Университетской школы физики и астрономии является одним из ведущих авторов статьи. Д-р Гао сказал:

«Согласованная фильтрация — это проблема, которую алгоритм Гровера, кажется, может хорошо решить. Мы смогли разработать систему, которая показывает, что квантовые вычисления могут иметь ценное применение в гравитационно-волновой астрономии».

Фергус Хейс, доктор философии, студент Школы физики и астрономии, является соавтором работы. Он добавил:

«Исследователи здесь, в Глазго, работают над физикой гравитационных волн более 50 лет, и работа в нашем Институте гравитационных исследований помогла поддержать разработку и анализ данных LIGO. Междисциплинарная работа, которую вели доктор Гао и я, продемонстрировала потенциал квантовых вычислений в согласованной фильтрации. По мере развития квантовых компьютеров в ближайшие годы вполне возможно, что подобные процессы можно будет использовать в будущих детекторах гравитационных волн. Захватывающая перспектива, и мы с нетерпением ждем возможности разработать это первоначальное доказательство концепции в будущем».