新算法可能是寻找引力波的量子飞跃

诸平

Credit: CC0 Public Domain

据英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）2022年4月1日提供的消息，一种利用量子计算识别引力波信号的新方法可以为未来的天体物理学家提供一个有价值的新工具（New algorithm could be quantum leap in search for gravitational waves）。

来自格拉斯哥大学物理与天文学学院的一个研究小组，已经开发了一种量子算法（quantum algorithm），大大减少了将引力波信号与大量模板数据库进行匹配所需的时间。

这一过程被称为匹配滤波（matched filtering），是支撑一些引力波信号发现的方法论的一部分，这些发现来自于美国的激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Observatory简称LIGO)和意大利的处女座（Virgo in Italy）引力波探测器。

这些探测器是有史以来最灵敏的传感器，能够捕捉到黑洞碰撞和合并等大规模天文事件在时空中引起的微弱涟漪。

匹配滤波允许计算机从探测器收集的数据的噪声中提取引力波信号。它的工作原理是对数据进行筛选，从可能与真正的引力波信号相关的成百上万亿预先创建的数据模板片段中寻找一个与之匹配的信号。

自2015年9月LIGO接收到第一个引力波信号以来，这一过程已经实现了多次引力波探测，但这一过程既耗时又耗费资源。

在《物理评论研究》(Physical Review Research)杂志上发表的一篇新论文中，该团队描述了如何通过一种名为“格罗弗算法”(Grover's algorithm)的量子计算技术(quantum computing technique)大大加速这一过程。

格罗弗算法是由计算机科学家洛夫·格罗弗(Lov Grover)在1996年开发的，它利用了量子理论的不同寻常的能力和应用，使搜索数据库的过程更快。

虽然能够使用格罗弗算法处理数据的量子计算机仍然是一项发展中的技术，但传统计算机能够模拟它们的行为，这使得研究人员可以开发出技术，当技术成熟，量子计算机已经可用时，可以采用这些技术。

格拉斯哥团队是第一个将格罗弗的算法用于引力波搜索的团队。在此论文中，他们演示了如何通过使用Python编程语言和Qiskit(一种模拟量子计算过程的工具)开发的软件，将其应用于引力波搜索。

该团队开发的系统能够加速与模板数量平方根成正比的操作数量。目前的量子处理器在执行基本操作方面要比传统计算机慢得多，但随着技术的发展，它们的性能有望提高。这种计算数量的减少将转化为时间的加速。在最好的情况下，这意味着，例如，如果使用经典计算的搜索需要一年的时间，同样的搜索用量子算法可能只需要一个星期。

这篇论文的主要作者之一、来自格拉斯哥大学物理与天文学学院的斯嘉丽·高博士（Dr. Scarlett Gao）说:“匹配滤波似乎是格罗弗算法能够很好地帮助解决的一个问题，我们已经能够开发一个系统，表明量子计算可能在引力波天文学中有价值的应用。当我们开始这项工作时，我的合著者和我是博士生，我们很幸运，在开发这个软件的过程中，我们得到了一些英国领先的量子计算和引力波研究人员的支持。虽然我们在这篇论文中专注于一种类型的搜索，但它也有可能适用于其他进程，比如这个进程，不需要将数据库加载到量子随机访问内存中（quantum random access memory）。”

这篇论文的共同主要作者、格拉斯哥大学物理与天文学学院博士生费格斯·海耶斯（Fergus Hayes）补充道:“格拉斯哥的研究人员从事引力波物理研究已经超过50年了，我们的引力波研究所（Institute for Gravitational Research）的工作帮助支撑了LIGO的发展和数据分析方面。

 “高博士和我领导的跨学科工作已经展示了量子计算在匹配滤波中的潜力。随着量子计算机在未来几年的发展，类似的过程可能会被用于未来的引力波探测器。这是一个令人兴奋的前景，我们期待着在未来开发这个初步的概念验证。”

这篇论文是由格拉斯哥大学物理与天文学学院的莎拉·克罗克博士（Dr. Sarah Croke）、克里斯多夫·梅辛杰博士（Dr. Christopher Messenger）和约翰·维奇博士（Dr. John Veitch）共同撰写的。该团队发表在《物理评论研究》上的论文题为“引力波匹配滤波的量子算法(A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering)”。不过，在《物理评论研究》发表之前早已在预印本文库网站公开（arxiv.org/abs/2109.01535）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Gravitational wave mirror experiments can evolve into quantum entities

Sijia Gao, Fergus Hayes, Sarah Croke, Chris Messenger, John Veitch. A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering. arXiv:2109.01535 [quant-ph]arxiv.org/abs/2109.01535

[Submitted on 3 Sep 2021]

Abstract

Quantum computational devices, currently under development, have the potential to accelerate data analysis techniques beyond the ability of any classical algorithm. We propose the application of a quantum algorithm for the detection of unknown signals in noisy data. We apply Grover's algorithm to matched-filtering, a signal processing technique that compares data to a number of candidate signal templates. In comparison to the classical method, this provides a speed-up proportional to the square-root of the number of templates, which would make possible otherwise intractable searches. We demonstrate both a proof-of-principle quantum circuit implementation, and a simulation of the algorithm's application to the detection of the first gravitational wave signal GW150914. We discuss the time complexity and space requirements of our algorithm as well as its implications for the currently computationally-limited searches for continuous gravitational waves.