Neuer Algorithmus könnte 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 & Astronomy der University of Glasgow hat einen Quantenalgorithmus entwickelt, um die Zeit, die zum Abgleich von Gravitationswellensignalen mit einer riesigen Datenbank von Vorlagen benötigt wird, drastisch zu verkürzen.

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

Diese Detektoren, die empfindlichsten Sensoren, die jemals entwickelt wurden, nehmen die schwachen Wellen in der Raumzeit auf, die durch massive astronomische Ereignisse wie die Kollision und Verschmelzung von Schwarzen Löchern verursacht werden.

Angepasste Filterung ermöglicht es Computern, Gravitationswellensignale aus dem Rauschen der vom Detektor gesammelten Daten herauszufiltern. Es durchsucht die Daten und sucht nach einem Signal, das mit einem von möglicherweise Hunderten von Billionen von Vorlagen übereinstimmt – vorgefertigte Datenstücke, die wahrscheinlich mit einem echten Gravitationswellensignal korrelieren.

Obwohl das Verfahren zahlreiche Gravitationswellendetektionen ermöglicht hat, seit LIGO im September 2015 sein erstes Signal empfangen hat, ist es zeitaufwändig und ressourcenintensiv.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Physikalische Überprüfungsforschungbeschreibt das Team, wie der Prozess durch eine Quantencomputertechnik namens Grover-Algorithmus stark beschleunigt werden könnte.

Grovers Algorithmus, der 1996 vom Informatiker Lov Grover entwickelt wurde, macht sich die ungewöhnlichen Fähigkeiten und Anwendungen der Quantentheorie zunutze, um das Durchsuchen von Datenbanken viel schneller zu machen.

Während Quantencomputer, die Daten mit dem Grover-Algorithmus verarbeiten können, immer noch eine sich entwickelnde Technologie sind, können herkömmliche 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 Gravitationswellensuche adaptiert hat. In dem Artikel demonstrieren sie, wie sie es auf die Suche nach Gravitationswellen durch Software angewendet haben, die sie mit der Programmiersprache Python und Qiskit, einem Tool zur Simulation von Quantencomputerprozessen, 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 viel langsamer bei der Durchführung grundlegender Operationen als klassische Computer, aber mit der Weiterentwicklung der Technologie wird erwartet, dass sich ihre Leistung verbessert. Diese Verringerung der Anzahl von Berechnungen würde sich in einer Zeitbeschleunigung niederschlagen. Das bedeutet im besten Fall, dass zum Beispiel, wenn eine Suche mit klassischem Computing ein Jahr dauern würde, die gleiche Suche mit ihrem Quantenalgorithmus nur eine Woche dauern könnte.

Dr. Scarlett Gao von der School of Physics & Astronomy der Universität ist eine der Hauptautorinnen der Veröffentlichung. Dr. Gao sagte: „Matched Filtering ist ein Problem, für dessen Lösung Grovers Algorithmus gut geeignet scheint, und wir konnten ein System entwickeln, das zeigt, dass Quantencomputer wertvolle Anwendungen in der Gravitationswellenastronomie haben könnten.

„Mein Co-Autor und ich waren Doktoranden, als wir mit dieser Arbeit begannen, und wir haben das Glück, während des Entwicklungsprozesses dieser Software Zugang zur Unterstützung einiger der führenden britischen Quantencomputing- und Gravitationswellenforscher gehabt zu haben .

„Obwohl wir uns in diesem Papier auf eine Art der Suche konzentriert haben, ist es möglich, dass sie auch für andere Prozesse angepasst werden könnte, die wie dieser nicht erfordern, dass die Datenbank in den Quanten-Random-Access-Speicher geladen wird.“

Fergus Hayes, ein Ph.D. Student an der School of Physics & Astronomy, ist Co-Lead-Autor der Arbeit. Er fügte hinzu: „Forscher hier in Glasgow arbeiten seit mehr als 50 Jahren an der Gravitationswellenphysik, und die Arbeit in unserem Institut für Gravitationsforschung hat dazu beigetragen, die Entwicklungs- und Datenanalyseseiten von LIGO zu untermauern.

„Die interdisziplinäre Arbeit, die Dr. Gao und ich geleitet haben, hat das Potenzial von Quantencomputing im Matched Filtering aufgezeigt. Da sich Quantencomputer in den kommenden Jahren weiterentwickeln, ist es möglich, dass Prozesse wie diese in zukünftigen Gravitationswellendetektoren verwendet werden könnten. Es ist ein spannende Perspektive, und wir freuen uns darauf, diesen ersten Machbarkeitsnachweis in der Zukunft zu entwickeln.“

Das Papier wurde von Dr. Sarah Croke, Dr. Christopher Messenger und Dr. John Veitch, alle von der School of Physics & Astronomy der University of Glasgow, gemeinsam verfasst.

Das Papier des Teams mit dem Titel „Ein Quantenalgorithmus für angepasste Filterung von Gravitationswellen“ ist in veröffentlicht Physikalische Überprüfungsforschung.