Een nieuwe methode voor het identificeren van zwaartekrachtsgolfsignalen met behulp van kwantumcomputers zou een waardevol nieuw hulpmiddel kunnen zijn voor toekomstige astrofysici.

Een team van de School of Physics &Astronomy van de University of Glasgow heeft een kwantumalgoritme ontwikkeld om de tijd die nodig is om zwaartekrachtsgolfsignalen te vergelijken met een enorme databank met sjablonen drastisch te verkorten.

Dit proces, dat bekend staat als matched filtering, maakt deel uit van de methodologie die ten grondslag ligt aan enkele van de ontdekkingen van zwaartekrachtsgolven door detectoren zoals de Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) in Amerika en Virgo in Italië.

Die detectoren, de meest gevoelige sensoren die ooit zijn gemaakt, vangen de zwakke rimpelingen in de ruimtetijd op die worden veroorzaakt door enorme astronomische gebeurtenissen zoals de botsing en samensmelting van zwarte gaten.

Matched filtering stelt computers in staat om zwaartekrachtsgolfsignalen te kiezen uit de ruis van de gegevens die door de detector zijn verzameld. Het werkt door de gegevens te doorzoeken, op zoek naar een signaal dat overeenkomt met een van de mogelijk honderden biljoenen sjablonen - stukjes vooraf gemaakte gegevens die waarschijnlijk correleren met een echt zwaartekrachtgolfsignaal.

Hoewel het proces talloze detecties van zwaartekrachtgolven mogelijk heeft gemaakt sinds LIGO zijn eerste signaal in september 2015 oppikte, is het tijdrovend en arbeidsintensief.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research , beschrijft het team hoe het proces enorm kan worden versneld door een kwantumcomputertechniek genaamd Grover's algoritme.

Het algoritme van Grover, ontwikkeld door computerwetenschapper Lov Grover in 1996, maakt gebruik van de ongebruikelijke mogelijkheden en toepassingen van de kwantumtheorie om het zoeken in databases veel sneller te maken.

Hoewel kwantumcomputers die gegevens kunnen verwerken met behulp van het algoritme van Grover nog een technologie in ontwikkeling zijn, zijn conventionele computers in staat hun gedrag te modelleren, waardoor onderzoekers technieken kunnen ontwikkelen die kunnen worden toegepast wanneer de technologie volwassen is en kwantumcomputers direct beschikbaar zijn.

Het Glasgow-team is de eersten die het algoritme van Grover heeft aangepast voor het zoeken naar zwaartekrachtgolven. In de paper laten ze zien hoe ze het hebben toegepast op het zoeken naar zwaartekrachtgolven met behulp van software die ze hebben ontwikkeld met behulp van de programmeertaal Python en Qiskit, een hulpmiddel voor het simuleren van kwantumcomputerprocessen.

Het door het team ontwikkelde systeem is in staat om het aantal bewerkingen te versnellen in verhouding tot de vierkantswortel van het aantal sjablonen. Huidige kwantumprocessors zijn veel langzamer in het uitvoeren van basisbewerkingen dan klassieke computers, maar naarmate de technologie zich ontwikkelt, wordt verwacht dat hun prestaties zullen verbeteren. Deze vermindering van het aantal berekeningen zou zich vertalen in een versnelling in de tijd. In het beste geval betekent dit dat als een zoekopdracht met klassieke computers bijvoorbeeld een jaar zou duren, dezelfde zoekopdracht met hun kwantumalgoritme slechts een week zou kunnen duren.

Dr. Scarlett Gao, van de School of Physics &Astronomy van de universiteit, is een van de hoofdauteurs van het artikel. Dr. Gao zei:"Matched filtering is een probleem dat het algoritme van Grover goed lijkt te helpen oplossen, en we hebben een systeem kunnen ontwikkelen dat aantoont dat quantum computing waardevolle toepassingen kan hebben in de astronomie van zwaartekrachtgolven.

"Mijn co-auteur en ik waren promovendi toen we aan dit werk begonnen, en we hebben het geluk gehad toegang te hebben gehad tot de steun van enkele van de toonaangevende Britse onderzoekers op het gebied van kwantumcomputers en zwaartekrachtgolven tijdens het ontwikkelingsproces van deze software .

"Hoewel we ons in dit artikel hebben geconcentreerd op één type zoekopdracht, is het mogelijk dat het ook kan worden aangepast voor andere processen die, zoals deze, niet vereisen dat de database in het quantum random access-geheugen wordt geladen."

Fergus Hayes, een Ph.D. student aan de School of Physics &Astronomy, is mede-hoofdauteur van het artikel. Hij voegde eraan toe:"Onderzoekers hier in Glasgow werken al meer dan 50 jaar aan de fysica van zwaartekrachtgolven, en hun werk in ons Instituut voor Gravitatieonderzoek heeft geholpen om de ontwikkelings- en data-analysekant van LIGO te ondersteunen.

"Het interdisciplinaire werk dat Dr. Gao en ik hebben geleid, heeft het potentieel van kwantumcomputing in gematchte filtering aangetoond. Naarmate kwantumcomputers zich de komende jaren ontwikkelen, is het mogelijk dat dergelijke processen in toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren kunnen worden gebruikt. Het is een spannend vooruitzicht, en we kijken ernaar uit om dit eerste proof of concept in de toekomst te ontwikkelen."

Het artikel is mede geschreven door Dr. Sarah Croke, Dr. Christopher Messenger en Dr. John Veitch, allen van de School of Physics &Astronomy van de University of Glasgow.

Het artikel van het team, getiteld "A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering", is gepubliceerd in Physical Review Research . + Verder verkennen

Gravitatiegolf-spiegelexperimenten kunnen evolueren naar kwantumentiteiten