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Un nuovo metodo per identificare i segnali delle onde gravitazionali utilizzando il calcolo quantistico potrebbe fornire un nuovo prezioso strumento per i futuri astrofisici.
Un team della School of Physics &Astronomy dell'Università di Glasgow ha sviluppato un algoritmo quantistico per ridurre drasticamente il tempo necessario per confrontare i segnali delle onde gravitazionali con una vasta banca dati di modelli.
Questo processo, noto come Matched Filtering, fa parte della metodologia alla base di alcune delle scoperte sui segnali delle onde gravitazionali da rivelatori come il Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) in America e la Vergine in Italia.
Quei rivelatori, i sensori più sensibili mai creati, raccolgono le deboli increspature nello spaziotempo causate da enormi eventi astronomici come la collisione e la fusione di buchi neri.
Il filtraggio abbinato consente ai computer di prelevare i segnali delle onde gravitazionali dal rumore dei dati raccolti dal rivelatore. Funziona setacciando i dati, cercando un segnale che corrisponda a uno su potenzialmente centinaia di trilioni di modelli, pezzi di dati pre-creati che probabilmente sono correlati a un vero segnale di onda gravitazionale.
Sebbene il processo abbia consentito numerosi rilevamenti di onde gravitazionali da quando LIGO ha rilevato il suo primo segnale nel settembre 2015, è dispendioso in termini di tempo e risorse.
In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Research , il team descrive come il processo potrebbe essere notevolmente accelerato da una tecnica di calcolo quantistico chiamata algoritmo di Grover.
L'algoritmo di Grover, sviluppato dallo scienziato informatico Lov Grover nel 1996, sfrutta le capacità e le applicazioni insolite della teoria quantistica per rendere molto più veloce il processo di ricerca nei database.
Mentre i computer quantistici in grado di elaborare dati utilizzando l'algoritmo di Grover sono ancora una tecnologia in via di sviluppo, i computer convenzionali sono in grado di modellare il loro comportamento, consentendo ai ricercatori di sviluppare tecniche che possono essere adottate quando la tecnologia è matura e i computer quantistici sono prontamente disponibili.
Il team di Glasgow è il primo ad adattare l'algoritmo di Grover ai fini della ricerca delle onde gravitazionali. Nel documento, dimostrano come l'hanno applicato alle ricerche di onde gravitazionali attraverso il software che hanno sviluppato utilizzando il linguaggio di programmazione Python e Qiskit, uno strumento per simulare i processi di calcolo quantistico.
Il sistema sviluppato dal team è in grado di velocizzare il numero di operazioni proporzionale alla radice quadrata del numero di template. Gli attuali processori quantistici sono molto più lenti nell'esecuzione delle operazioni di base rispetto ai computer classici, ma con lo sviluppo della tecnologia, le loro prestazioni dovrebbero migliorare. Questa riduzione del numero di calcoli si tradurrebbe in un'accelerazione dei tempi. Nel migliore dei casi ciò significa che, ad esempio, se una ricerca che utilizza l'informatica classica richiedesse un anno, la stessa ricerca potrebbe richiedere solo una settimana con il loro algoritmo quantistico.
La dott.ssa Scarlett Gao, della School of Physics &Astronomy dell'Università, è uno degli autori principali dell'articolo. Il Dr. Gao ha dichiarato:"Il filtraggio abbinato è un problema che l'algoritmo di Grover sembra ben posizionato per aiutare a risolvere, e siamo stati in grado di sviluppare un sistema che mostra che il calcolo quantistico potrebbe avere preziose applicazioni nell'astronomia delle onde gravitazionali.
"Il mio co-autore ed io eravamo dottorandi quando abbiamo iniziato questo lavoro e siamo fortunati ad aver avuto accesso al supporto di alcuni dei principali ricercatori di informatica quantistica e onde gravitazionali del Regno Unito durante il processo di sviluppo di questo software .
"Anche se in questo documento ci siamo concentrati su un tipo di ricerca, è possibile che possa essere adattato anche per altri processi che, come questo, non richiedono il caricamento del database nella memoria ad accesso casuale quantistico."
Fergus Hayes, un dottorato di ricerca studente della School of Physics &Astronomy, è co-autore principale dell'articolo. Ha aggiunto:"I ricercatori qui a Glasgow lavorano sulla fisica delle onde gravitazionali da oltre 50 anni e il lavoro nel nostro Institute for Gravitational Research ha contribuito a sostenere lo sviluppo e l'analisi dei dati di LIGO.
"Il lavoro interdisciplinare condotto dal Dr. Gao ed io ha dimostrato il potenziale del calcolo quantistico nel filtraggio abbinato. Con lo sviluppo dei computer quantistici nei prossimi anni, è possibile che processi come questi possano essere utilizzati nei futuri rivelatori di onde gravitazionali. È un prospettiva entusiasmante e non vediamo l'ora di sviluppare questa prima prova di concetto in futuro".
L'articolo è stato scritto insieme alla dott.ssa Sarah Croke, al dott. Christopher Messenger e al dott. John Veitch, tutti della School of Physics &Astronomy dell'Università di Glasgow.
L'articolo del team, intitolato "Un algoritmo quantistico per il filtraggio abbinato alle onde gravitazionali", è pubblicato in Physical Review Research . + Esplora ulteriormente
