量子算法可能是尋找引力波的新方法

使用量子計(jì)算識(shí)別引力波信號的新方法可以為未來的天體物理學(xué)家提供有價(jià)值的新工具。

格拉斯哥大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了量子算法，以大幅減少將引力波信號與龐大的模板數(shù)據(jù)庫匹配所需的時(shí)間。

這個(gè)過程被稱為匹配濾波，是支持美國激光干涉儀引力天文臺(tái)（LIGO）和意大利處女座等探測器的一些引力波信號發(fā)現(xiàn)的方法的一部分。

這些探測器是有史以來最敏感的傳感器，它們捕捉到黑洞碰撞和合并等大規(guī)模天文事件造成的時(shí)空微弱漣漪。

匹配的濾波允許計(jì)算機(jī)從探測器收集的數(shù)據(jù)的噪聲中提取引力波信號。它的工作原理是篩選數(shù)據(jù)，搜索與數(shù)百萬億個(gè)模板中的一個(gè)相匹配的信號——這些模板是可能與真正的引力波信號相關(guān)的預(yù)先創(chuàng)建的數(shù)據(jù)。

雖然自2015年9月LIGO接收到第一個(gè)信號以來，該過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多次引力波檢測，但它既耗時(shí)又耗費(fèi)資源。

在《物理評論研究》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，該團(tuán)隊(duì)描述了一種名為格羅弗算法的量子計(jì)算技術(shù)如何大大加快這個(gè)過程。

Grover的算法由計(jì)算機(jī)科學(xué)家Lov Grover于1996年開發(fā)，利用量子理論的異常能力和應(yīng)用，使數(shù)據(jù)庫搜索過程更快。

雖然能夠使用格羅弗算法處理數(shù)據(jù)的量子計(jì)算機(jī)仍然是一種正在開發(fā)的技術(shù)，但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能夠模擬其行為，使研究人員能夠開發(fā)技術(shù)，這些技術(shù)可以在技術(shù)成熟且量子計(jì)算機(jī)隨時(shí)可用時(shí)采用。

格拉斯哥團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)將格羅弗算法用于引力波搜索的團(tuán)隊(duì)。在新論文中，他們演示了如何通過使用Python編程語言和模擬量子計(jì)算過程的工具Qiskit開發(fā)的軟件將其應(yīng)用于引力波搜索。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的系統(tǒng)能夠加快與模板數(shù)量平方根成正比的操作數(shù)量。目前的量子處理器執(zhí)行基本操作的速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)慢得多，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其性能預(yù)計(jì)將提高。計(jì)算次數(shù)的減少將轉(zhuǎn)化為時(shí)間的加快。在最好的情況下，這意味著，例如，如果使用經(jīng)典計(jì)算的搜索需要一年時(shí)間，那么使用他們的量子算法進(jìn)行相同的搜索可能只需一周的時(shí)間。

該大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的Scarlett Gao是該論文的主要作者之一。Scarlett Gao博士表示：匹配濾波是格羅弗算法似乎非常適合幫助解決的問題，他們已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，表明量子計(jì)算可以在引力波天文學(xué)中具有有價(jià)值的應(yīng)用。

“當(dāng)他們開始這項(xiàng)工作時(shí)，他和他的合著者（博士生）很幸運(yùn)在開發(fā)該軟件的過程中得到了英國一些領(lǐng)先的量子計(jì)算和引力波研究人員的支持。

雖然他們在論文中專注于一種類型的搜索，但它也可能適用于其它進(jìn)程，例如，這些進(jìn)程不需要將數(shù)據(jù)庫加載到量子隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中。

物理與天文學(xué)學(xué)院的博士生Fergus Hayes是該論文的共同作者。他表示：“格拉斯哥的研究人員已經(jīng)研究引力波物理學(xué)超過50年，在他們的引力研究所的工作幫助鞏固了LIGO的開發(fā)和數(shù)據(jù)分析方面。

博士的跨學(xué)科工作。Scarlett Gao和Fergus Hayes領(lǐng)導(dǎo)的研究展示了量子計(jì)算在匹配濾波中的潛力。隨著量子計(jì)算機(jī)在未來幾年的發(fā)展，這樣的過程可能會(huì)在未來的引力波探測器中使用。這是一個(gè)令人興奮的前景，他們期待著在未來開發(fā)這個(gè)初步的概念證明”。

這篇論文由Sarah Croke博士克里斯托弗和博士John Veitch共同撰寫，他們都來自格拉斯哥大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院。

該團(tuán)隊(duì)題為“引力波匹配濾波的量子算法”的論文發(fā)表在《物理評論研究》上。

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