Novo algoritmo pode ser um salto quântico na busca por ondas gravitacionais

Crédito: Domínio Público CC0

Um novo método para identificar sinais de ondas gravitacionais usando computação quântica pode fornecer uma nova ferramenta valiosa para futuros astrofísicos.

Uma equipe da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow desenvolveu um algoritmo quântico para reduzir drasticamente o tempo necessário para combinar sinais de ondas gravitacionais a um vasto banco de dados de modelos.

Esse processo, conhecido como filtragem combinada, faz parte da metodologia por trás de algumas das descobertas de sinais de ondas gravitacionais de detectores como o Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) nos Estados Unidos e o Virgo na Itália.

Esses detectores, os sensores mais sensíveis já criados, captam as fracas ondulações no espaço-tempo causadas por eventos astronômicos massivos, como colisões e fusão de buracos negros.

A filtragem combinada permite que os computadores capturem sinais de ondas gravitacionais do ruído nos dados coletados pelo detector. Ele funciona vasculhando os dados, procurando um sinal que corresponda a um dos potencialmente centenas de trilhões de modelos: pedaços de dados criados anteriormente que provavelmente se correlacionam com um sinal de onda gravitacional genuíno.

Embora o processo tenha permitido inúmeras detecções de ondas gravitacionais desde que o LIGO captou seu primeiro sinal em setembro de 2015, é demorado e intensivo em recursos.

Em novo artigo publicado na revista Investigação de Revisão Físicaa equipe descreve como o processo pode ser bastante acelerado usando uma técnica de computação quântica chamada algoritmo de Grover.

O algoritmo de Grover, desenvolvido pelo cientista da computação Lov Grover em 1996, aproveita as capacidades e aplicações incomuns da teoria quântica para tornar o processo de busca em bancos de dados muito mais rápido.

Enquanto os computadores quânticos capazes de processar dados usando o algoritmo de Grover ainda são uma tecnologia em desenvolvimento, os computadores convencionais são capazes de modelar seu comportamento, permitindo que os pesquisadores desenvolvam técnicas que podem ser adotadas quando a tecnologia amadurecer e os computadores amadurecerem.

A equipe de Glasgow é a primeira a adaptar o algoritmo de Grover para procurar ondas gravitacionais. No artigo, eles demonstram como o aplicaram a pesquisas de ondas gravitacionais por meio de softwares que desenvolveram usando a linguagem de programação Python e o Qiskit, uma ferramenta para simular processos de computação quântica.

O sistema desenvolvido pela equipe é capaz de agilizar o número de operações proporcionalmente à raiz quadrada do número de templates. Os processadores quânticos de hoje são muito mais lentos para executar operações básicas do que os computadores clássicos, mas à medida que a tecnologia se desenvolve, espera-se que seu desempenho melhore. Essa redução no número de cálculos se traduziria em uma aceleração do tempo. Na melhor das hipóteses, isso significa que, por exemplo, se uma pesquisa usando computação clássica levar um ano, a mesma pesquisa pode levar apenas uma semana com seu algoritmo quântico.

A Dra. Scarlett Gao, da Faculdade de Física e Astronomia da Universidade, é uma das principais autoras do artigo. Gao disse: “A filtragem combinada é um problema que o algoritmo de Grover parece estar bem posicionado para ajudar a resolver, e conseguimos desenvolver um sistema que mostra que a computação quântica pode ter aplicações valiosas na astronomia de ondas gravitacionais”.

“Meu coautor e eu éramos estudantes de doutorado quando começamos este trabalho e temos a sorte de ter tido acesso ao apoio de alguns dos principais pesquisadores de ondas gravitacionais e computação quântica do Reino Unido durante o processo de desenvolvimento deste software.

“Embora tenhamos nos concentrado em um tipo de pesquisa neste artigo, é possível que também possa ser adaptado para outros processos que, como este, não exigem que o banco de dados seja carregado na memória de acesso aleatório quântico”.

Fergus Hayes, Ph.D. estudante da Escola de Física e Astronomia, é co-autor principal do artigo. Ele acrescentou: “Os pesquisadores aqui em Glasgow trabalham na física das ondas gravitacionais há mais de 50 anos, e o trabalho em nosso Instituto de Pesquisa Gravitacional ajudou a apoiar os aspectos de desenvolvimento e análise de dados do LIGO.

“O trabalho interdisciplinar que o Dr. Gao e eu conduzimos demonstrou o potencial da computação quântica na filtragem combinada. À medida que os computadores quânticos se desenvolverem nos próximos anos, é possível que processos como esses possam ser usados ​​em futuros detectores de ondas gravitacionais. perspectiva empolgante, e estamos ansiosos para desenvolver esta prova de conceito inicial no futuro.”

O artigo foi co-autor da Dra. Sarah Croke, Dr. Christopher Messenger e Dr. John Veitch, todos da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow.

O artigo da equipe, intitulado “A Quantum Algorithm for Combined Filtering of Gravitational Waves”, foi publicado em Investigação de Revisão Física.


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Mais informação:
Um Algoritmo Quântico para Filtragem Combinada de Ondas Gravitacionais, arXiv:2109.01535 [quant-ph] arxiv.org/abs/2109.01535

Fornecido pela Universidade de Glasgow

Citação: Novo algoritmo pode ser um salto quântico na busca por ondas gravitacionais (2022, 1º de abril) Recuperado em 1º de abril de 2022 em https://phys.org/news/2022-04-algorithm-quantum-gravitational. html

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