新搜索算法或?qū)?lái)引力波探測(cè)的量子飛躍

2022-04-06 14:39:19cnBeta.COM閱讀量：1331      我要評(píng)論

導(dǎo)讀：據(jù)悉，這些探測(cè)器是有史以來(lái)最敏感的傳感器，可以捕捉到由黑洞碰撞和合并等大規(guī)模天文事件引起的時(shí)空微弱漣漪。

　　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(kāi)發(fā)了一種量子算法，它可以大幅減少將引力波信號(hào)跟龐大的模板數(shù)據(jù)庫(kù)相匹配所需的時(shí)間。據(jù)悉，這個(gè)過(guò)程被稱為匹配過(guò)濾，是支撐美國(guó)的激光干涉儀引力天文臺(tái)(LIGO)和意大利的Virgo等探測(cè)器的一些引力波信號(hào)發(fā)現(xiàn)的方法的一部分。

　　這些探測(cè)器是有史以來(lái)最敏感的傳感器，可以捕捉到由黑洞碰撞和合并等大規(guī)模天文事件引起的時(shí)空微弱漣漪。

　　匹配過(guò)濾則允許計(jì)算機(jī)從探測(cè)器收集的數(shù)據(jù)的噪音中挑選出引力波信號(hào)。它的工作原理是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，然從潛在的數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的模板中尋找一個(gè)匹配的信號(hào)--這些模板則都是預(yù)先創(chuàng)建的數(shù)據(jù)片段，可能會(huì)跟真正的引力波信號(hào)相關(guān)。

　　雖然自LIGO在2015年9月發(fā)現(xiàn)第一個(gè)信號(hào)以來(lái)，這個(gè)過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多引力波的探測(cè)，但卻是耗時(shí)和資源密集型的。

　　在《Physical Review Research》上發(fā)表的一篇新論文中，該團(tuán)隊(duì)描述了如何通過(guò)一種名為格羅弗算法的量子計(jì)算技術(shù)來(lái)大大加快這一過(guò)程。

　　格羅弗算法由計(jì)算機(jī)科學(xué)家洛夫·格羅弗于1996年開(kāi)發(fā)，其利用量子理論的不尋常能力和應(yīng)用來(lái)打打加快搜索數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程。

　　雖然能使用格羅弗算法處理數(shù)據(jù)的量子計(jì)算機(jī)仍是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能對(duì)其行為進(jìn)行建模并允許研究人員開(kāi)發(fā)技術(shù)以便在技術(shù)成熟和量子計(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)為引力波搜索目的而調(diào)整格羅弗算法的團(tuán)隊(duì)。在論文中，他們展示了如何通過(guò)他們使用Python編程語(yǔ)言和Qiskit(一種模擬量子計(jì)算過(guò)程的工具)開(kāi)發(fā)的軟件將其應(yīng)用于引力波搜索。

　　該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)跟模板數(shù)量的平方根成正比的運(yùn)算速度提升。目前的量子處理器在執(zhí)行基本操作時(shí)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)慢得多，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其性能有望得到改善。這種計(jì)算數(shù)量的減少將轉(zhuǎn)化為時(shí)間上的加速。在好的情況下，這意味著，比如如果使用經(jīng)典計(jì)算的搜索需要一年的時(shí)間，那么在使用他們的量子算法的情況下，同樣的搜索可能只需要一個(gè)星期。

　　來(lái)自該大學(xué)物理和天文學(xué)學(xué)院的Scarlett Gao博士是論文的主要作者之一。他指出：“匹配過(guò)濾是格羅弗算法似乎很適合幫助解決的問(wèn)題，我們已能夠開(kāi)發(fā)出一個(gè)系統(tǒng)，這表明量子計(jì)算在引力波天文學(xué)中可以有寶貴的應(yīng)用......雖然我們?cè)诒疚闹屑杏懻摿艘环N類型的搜索，但它也有可能適用于其他過(guò)程，而這些過(guò)程和這個(gè)過(guò)程一樣不需要將數(shù)據(jù)庫(kù)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是這項(xiàng)研究的論文共同第一作者。他補(bǔ)充道：“格拉斯哥的研究人員已經(jīng)在引力波物理學(xué)方面研究了50多年，我們的引力研究所的工作幫助支撐了LIGO的開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)分析方面。Gao博士和我領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科工作已經(jīng)證明了量子計(jì)算在匹配過(guò)濾方面的潛力。隨著量子計(jì)算機(jī)在未來(lái)幾年的發(fā)展，像這樣的過(guò)程有可能被用于未來(lái)的引力波探測(cè)器。這是一個(gè)令人興奮的發(fā)展前景，我們期待著在未來(lái)發(fā)展這個(gè)初步的概念證明。”

　　(原標(biāo)題：新搜索算法或?qū)?lái)引力波探測(cè)的量子飛躍)

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