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格拉斯哥大學物理與天文學學院的一個團隊開發(fā)了一種量子算法，它可以大幅減少將引力波信號跟龐大的模板數(shù)據(jù)庫相匹配所需的時間。據(jù)悉，這個過程被稱為匹配過濾，是支撐美國的激光干涉儀引力天文臺(LIGO)和意大利的Virgo等探測器的一些引力波信號發(fā)現(xiàn)的方法的一部分。
這些探測器是有史以來最敏感的傳感器，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空微弱漣漪。
匹配過濾則允許計算機從探測器收集的數(shù)據(jù)的噪音中挑選出引力波信號。它的工作原理是對數(shù)據(jù)進行篩選，然從潛在的數(shù)以萬億計的模板中尋找一個匹配的信號--這些模板則都是預先創(chuàng)建的數(shù)據(jù)片段，可能會跟真正的引力波信號相關。
雖然自LIGO在2015年9月發(fā)現(xiàn)第一個信號以來，這個過程已經(jīng)實現(xiàn)了許多引力波的探測，但卻是耗時和資源密集型的。
在《Physical Review Research》上發(fā)表的一篇新論文中，該團隊描述了如何通過一種名為格羅弗算法的量子計算技術來大大加快這一過程。
格羅弗算法由計算機科學家洛夫·格羅弗于1996年開發(fā)，其利用量子理論的不尋常能力和應用來打打加快搜索數(shù)據(jù)庫的過程。
雖然能使用格羅弗算法處理數(shù)據(jù)的量子計算機仍是一項發(fā)展中的技術，但傳統(tǒng)計算機能對其行為進行建模并允許研究人員開發(fā)技術以便在技術成熟和量子計算機隨時可用時采用。
格拉斯哥團隊是第一個為引力波搜索目的而調(diào)整格羅弗算法的團隊。在論文中，他們展示了如何通過他們使用Python編程語言和Qiskit(一種模擬量子計算過程的工具)開發(fā)的軟件將其應用于引力波搜索。
該團隊開發(fā)的系統(tǒng)能實現(xiàn)跟模板數(shù)量的平方根成正比的運算速度提升。目前的量子處理器在執(zhí)行基本操作時比經(jīng)典計算機慢得多，但隨著技術的發(fā)展，其性能有望得到改善。這種計算數(shù)量的減少將轉化為時間上的加速。在好的情況下，這意味著，比如如果使用經(jīng)典計算的搜索需要一年的時間，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星期。
來自該大學物理和天文學學院的Scarlett Gao博士是論文的主要作者之一。他指出：“匹配過濾是格羅弗算法似乎很適合幫助解決的問題，我們已能夠開發(fā)出一個系統(tǒng)，這表明量子計算在引力波天文學中可以有寶貴的應用......雖然我們在本文中集中討論了一種類型的搜索，但它也有可能適用于其他過程，而這些過程和這個過程一樣不需要將數(shù)據(jù)庫加載到量子隨機存取存儲器中。”
物理與天文學學院的博士生Fergus Hayes是這項研究的論文共同第一作者。他補充道：“格拉斯哥的研究人員已經(jīng)在引力波物理學方面研究了50多年，我們的引力研究所的工作幫助支撐了LIGO的開發(fā)和數(shù)據(jù)分析方面。Gao博士和我領導的跨學科工作已經(jīng)證明了量子計算在匹配過濾方面的潛力。隨著量子計算機在未來幾年的發(fā)展，像這樣的過程有可能被用于未來的引力波探測器。這是一個令人興奮的發(fā)展前景，我們期待著在未來發(fā)展這個初步的概念證明。”
(原標題：新搜索算法或將帶來引力波探測的量子飛躍)
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