Un nuevo algoritmo cuántico buscará ondas gravitacionales

Un nuevo método para identificar señales de ondas gravitacionales utilizando computación cuántica podría proporcionar una nueva herramienta valiosa para los futuros astrofísicos.

 

Un equipo de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow ha desarrollado un algoritmo cuántico para reducir drásticamente el tiempo que lleva hacer coincidir las señales de ondas gravitacionales con una gran base de datos de patrones.

Este proceso, conocido como filtrado combinado, es parte de la metodología detrás de algunos de los hallazgos de señales de ondas gravitacionales de detectores como el Observatorio Gravitacional de Interferómetro Láser (LIGO) en Estados Unidos y Virgo en Italia.

Estos detectores, los sensores más sensibles jamás creados, captan las débiles ondas en el espacio-tiempo causadas por eventos astronómicos masivos como colisiones y fusiones de agujeros negros.

El filtrado combinado permite que las computadoras eliminen las señales de ondas gravitacionales del ruido de los datos recopilados por el detector. Funciona filtrando los datos, buscando una señal que coincida con uno de los cientos de billones de patrones potenciales: piezas de datos creadas previamente que probablemente se correlacionen con una señal de onda gravitacional real.

Aunque el proceso ha realizado muchas detecciones de ondas gravitacionales desde que LIGO captó su primera señal en septiembre de 2015, requiere mucho tiempo y recursos.

En un nuevo artículo publicado en la revista Investigación del examen físico el equipo describe cómo el proceso podría ser acelerado en gran medida por un computación cuántica llamada Grover algoritmo.

El algoritmo de Grover, desarrollado por el científico informático Lov Grover en 1996, explota las capacidades y aplicaciones inusuales de la teoría cuántica para hacer que el proceso de búsqueda en las bases de datos sea mucho más rápido.

Si bien las computadoras cuánticas capaces de procesar datos utilizando el algoritmo de Grover aún son una tecnología en desarrollo, las computadoras convencionales pueden modelar su comportamiento, lo que permite a los investigadores desarrollar técnicas que pueden adoptarse cuando la tecnología haya madurado y las computadoras cuánticas estén disponibles.

El equipo de Glasgow es el primero en adaptar el algoritmo de Grover con el propósito de buscar ondas gravitacionales. En el artículo, demuestran cómo lo aplicaron a la investigación de ondas gravitacionales a través del software que desarrollaron utilizando el lenguaje de programación Python y Qiskit, una herramienta de simulación de procesos de computación cuántica.

El sistema desarrollado por el equipo es capaz de acelerar el número de operaciones proporcionalmente a la raíz cuadrada del número de modelos. Los procesadores cuánticos actuales son mucho más lentos para realizar operaciones básicas que las computadoras clásicas, pero a medida que la tecnología se desarrolla, su rendimiento debería mejorar.

Esta reducción en el número de cálculos daría como resultado una aceleración en el tiempo. En el mejor de los casos, esto significa que, por ejemplo, si una búsqueda usando computación clásica tomaría un año, la misma búsqueda podría tomar tan solo una semana con su algoritmo cuántico.

La Dra. Scarlett Gao, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad, es una de las autoras principales del artículo. El Dr. Gao dijo: «El filtrado adaptativo es un problema que el algoritmo de Grover parece estar bien ubicado para ayudar a resolver, y hemos podido desarrollar un sistema que muestra que la computación cuántica podría tener aplicaciones valiosas en la astronomía de ondas gravitacionales».

«Mi coautor y yo éramos estudiantes de doctorado cuando comenzamos este trabajo, y somos afortunados de haber tenido acceso al apoyo de algunos de los principales investigadores de ondas gravitacionales y computación cuántica del Reino Unido durante el proceso de desarrollo de este software.

“Aunque nos hemos centrado en un tipo de búsqueda en este artículo, es posible que también se pueda adaptar a otros procesos que, como este, no requieren que la base de datos esté cargada en quantum memoria viva.»

Fergus Hayes, Ph.D. estudiante de la Facultad de Física y Astronomía, es coautor principal del artículo. Agregó: «Los investigadores aquí en Glasgow han estado trabajando en la física de las ondas gravitacionales durante más de 50 años, y el trabajo en nuestro Instituto de Investigación Gravitacional ha ayudado a respaldar los aspectos de desarrollo y análisis de datos de LIGO.

«El trabajo interdisciplinario que el Dr. Gao y yo realizamos demostró el potencial de la computación cuántica en el filtrado combinado. A medida que se desarrollen las computadoras cuánticas en los próximos años, es posible que procesos como estos puedan usarse en futuros detectores de ondas gravitacionales. Esta es una experiencia emocionante. prospecto, y esperamos desarrollar esta primera prueba de concepto en el futuro».

Referencia:

Sijia Gao. et al. A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering. Arxiv 2021. doi.org/10.48550/arXiv.2109.01535

 

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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