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Novo algoritmo pode ser salto quântico na busca por ondas gravitacionais
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 com um vasto banco de dados de modelos.
Por Universidade de Glasgow - 02/04/2022


Domínio público

Um novo método de identificação de 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 com um vasto banco de dados de modelos.

Esse processo, conhecido como filtragem combinada, faz parte da metodologia que sustenta algumas das descobertas de sinais de ondas gravitacionais de detectores como o Observatório Gravitacional de Interferômetro a Laser (LIGO) na América e Virgo na Itália.

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

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

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

Em um novo artigo publicado na revista Physical Review Research , a equipe descreve como o processo pode ser bastante acelerado por 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 quânticos estiverem prontamente disponíveis.

A equipe de Glasgow é a primeira a adaptar o algoritmo de Grover para fins de busca de ondas gravitacionais. No artigo, eles demonstram como o aplicaram a pesquisas de ondas gravitacionais por meio de softwares desenvolvidos 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 acelerar o número de operações proporcional à raiz quadrada do número de templates. Os processadores quânticos atuais são muito mais lentos na execução de 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 no 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 Escola de Física e Astronomia da Universidade, é uma das principais autoras do artigo. Dr. Gao disse: "A filtragem combinada é um problema que o algoritmo de Grover parece bem colocado para ajudar a resolver, e fomos capazes de 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 tivemos a sorte de ter acesso ao apoio de alguns dos principais pesquisadores de computação quântica e ondas gravitacionais do Reino Unido durante o processo de desenvolvimento deste software. .

"Enquanto nos concentramos 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 na Escola de Física e Astronomia, é coautor 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 sustentar o desenvolvimento e a análise de dados do LIGO.

"O trabalho interdisciplinar que o Dr. Gao e eu lideramos demonstrou o potencial da computação quântica na filtragem combinada. À medida que os computadores quânticos se desenvolvem 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 coescrito pela 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 “Um algoritmo quântico para filtragem combinada de ondas gravitacionais”, foi publicado na Physical Review Research .

 

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