Un nouvel algorithme pourrait être un saut quantique dans la recherche d’ondes gravitationnelles

Une nouvelle méthode d’identification des signaux d’ondes gravitationnelles à l’aide de l’informatique quantique pourrait constituer un nouvel outil précieux pour les futurs astrophysiciens.

Une équipe de la School of Physics and Astronomy de l’Université de Glasgow a développé un fichier Algorithme quantique Pour réduire considérablement le temps nécessaire pour faire correspondre les signaux d’ondes gravitationnelles avec une énorme base de données de modèles.

Ce processus, connu sous le nom de filtrage identique, fait partie de la méthodologie qui prend en charge certaines détections de signaux d’ondes gravitationnelles à partir de détecteurs tels que le Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) en Amérique et Virgo en Italie.

Ces détecteurs, les plus sensibles de tous, captent les faibles ondulations dans l’espace-temps causées par des événements astronomiques massifs tels que les collisions et les fusions de trous noirs.

Le filtrage miroir permet aux ordinateurs de sélectionner les signaux d’ondes gravitationnelles à partir du bruit des données collectées par le détecteur. Cela fonctionne en passant au crible les données, à la recherche d’un signal qui correspond à l’un des centaines de billions de modèles possibles – des éléments de données précédemment générés qui sont susceptibles d’être en corrélation avec un signal d’onde gravitationnelle réel.

Bien que ce processus ait permis la détection de nombreuses ondes gravitationnelles depuis que LIGO a détecté son premier signal en septembre 2015, il est chronophage et gourmand en ressources.

Dans un nouvel article publié dans la revue Recherche d’examen physiquel’équipe décrit comment le processus peut être grandement accéléré par un Statistiques quantitatives Une technique appelée Grover algorithme.

L’algorithme de Grover, développé par l’informaticien Lov Grover en 1996, exploite les capacités et les applications extraordinaires de la théorie quantique pour accélérer les recherches dans les bases de données.

Alors que les ordinateurs quantiques capables de traiter des données à l’aide de l’algorithme de Grover sont toujours une technologie de pointe, les ordinateurs classiques sont capables de modéliser son comportement, permettant aux chercheurs de développer des techniques qui peuvent être adoptées lorsque la technologie mûrit et que les ordinateurs quantiques sont facilement disponibles.

L’équipe de Glasgow est la première à adapter l’algorithme de Grover à la recherche d’ondes gravitationnelles. Dans l’article, ils expliquent comment ils l’ont appliqué à la recherche d’ondes gravitationnelles grâce à un logiciel qu’ils ont développé à l’aide du langage de programmation Python et de Qiskit, un outil de simulation informatique quantique.

Le système développé par l’équipe est capable d’accélérer le nombre d’opérations proportionnellement à la racine carrée du nombre de modèles. Les processeurs quantiques actuels sont beaucoup plus lents à effectuer des opérations de base que les ordinateurs conventionnels, mais à mesure que la technologie évolue, leurs performances devraient s’améliorer. Cette réduction du nombre de calculs se traduira par une accélération dans le temps. Au mieux, cela signifie que, par exemple, si une recherche utilisant l’informatique classique prend un an, la recherche elle-même peut prendre moins d’une semaine en utilisant un algorithme quantique.

Le Dr Scarlett Gao, de l’École de physique et d’astronomie de l’université, est l’un des principaux auteurs de cet article. Le Dr Zhao a déclaré: « Le filtrage de correspondance est un problème que l’algorithme de Grover semble bien placé pour aider à résoudre, et nous avons été en mesure de développer un système qui démontre que l’informatique quantique peut avoir des applications précieuses dans l’astronomie des ondes gravitationnelles.

« Mes co-auteurs et moi étions doctorants lorsque nous avons commencé ce travail, et nous avons la chance d’avoir eu le soutien de certains des plus grands chercheurs britanniques en informatique quantique et en ondes gravitationnelles pendant le processus de développement de ce programme.

« Bien que nous nous soyons concentrés sur un type de recherche dans cet article, il est également possible de l’adapter à d’autres processus, comme celui-ci, qui ne nécessitent pas de chargement de base de données en quantique. RAM. « 

Fergus Hayes, Ph.D. Étudiant à l’École de physique et d’astronomie, il est co-auteur de la recherche. Il a ajouté: « Les chercheurs ici à Glasgow travaillent sur la physique des ondes gravitationnelles depuis plus de 50 ans, et le travail à notre Institut de recherche gravitationnelle a aidé à soutenir les aspects du développement et de l’analyse des données au LIGO.

« Le travail interdisciplinaire que le Dr Zhao et moi avons dirigé a démontré le potentiel de l’informatique quantique dans le filtrage identique. Au fur et à mesure que les ordinateurs quantiques se développeront dans les années à venir, il est possible que de tels processus soient utilisés dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles à l’avenir. Une perspective passionnante , et nous attendons avec impatience le développement de cette preuve de concept initiale dans le futur. »

Cet article a été co-écrit par le Dr Sarah Crook, le Dr Christopher Messenger et le Dr John Fitch, tous de l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Glasgow.

L’article de l’équipe, « A Quantum Algorithm for Gravitational Wave Matching Filtering », est publié dans Recherche d’examen physique.