Nuevo algoritmo podría ser un salto cuántico en la búsqueda de 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 Facultad 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 un vasto banco de datos de plantillas.

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

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

El filtrado combinado permite a las computadoras seleccionar señales de ondas gravitacionales del ruido de los datos recopilados por el detector. Funciona filtrando los datos, buscando una señal que coincida con una entre potencialmente cientos de billones de plantillas: piezas de datos creados previamente que probablemente se correlacionen con una señal de onda gravitacional genuina.

Si bien el proceso ha permitido numerosas detecciones de ondas gravitacionales desde que LIGO captó su primera señal en septiembre de 2015, requiere mucho tiempo y muchos recursos.

En un nuevo artículo publicado en la revista Investigación de revisión físicael equipo describe cómo el proceso podría acelerarse en gran medida mediante una técnica de computación cuántica llamada algoritmo de Grover.

El algoritmo de Grover, desarrollado por el científico informático Lov Grover en 1996, aprovecha 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 son capaces de modelar su comportamiento, lo que permite a los investigadores desarrollar técnicas que pueden adoptarse cuando la tecnología haya madurado y las computadoras cuánticas estén fácilmente disponibles.

El equipo de Glasgow es el primero en adaptar el algoritmo de Grover para la búsqueda de ondas gravitacionales. En el artículo, demuestran cómo lo han aplicado a las búsquedas de ondas gravitacionales a través de un software que desarrollaron utilizando el lenguaje de programación Python y Qiskit, una herramienta para simular procesos de computación cuántica.

El sistema que desarrolló el equipo es capaz de acelerar el número de operaciones proporcionalmente a la raíz cuadrada del número de plantillas. Los procesadores cuánticos actuales son mucho más lentos para realizar operaciones básicas que las computadoras clásicas, pero a medida que la tecnología se desarrolla, se espera que su rendimiento mejore. Esta reducción del número de cálculos se traduciría en una aceleración del tiempo. En el mejor de los casos, eso 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 combinado 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 tenemos la suerte 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. .

«Si bien nos hemos concentrado en un tipo de búsqueda en este documento, es posible que también se pueda adaptar para otros procesos que, como este, no requieren que la base de datos se cargue en la memoria cuántica de acceso aleatorio».

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

«El trabajo interdisciplinario que dirigimos el Dr. Gao y yo ha demostrado el potencial de la computación cuántica en el filtrado combinado. A medida que las computadoras cuánticas se desarrollen en los próximos años, es posible que procesos como estos puedan usarse en futuros detectores de ondas gravitacionales. Es un perspectiva emocionante, y esperamos desarrollar esta prueba de concepto inicial en el futuro».

El artículo fue coescrito por la Dra. Sarah Croke, el Dr. Christopher Messenger y el Dr. John Veitch, todos de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow.

El artículo del equipo, titulado «Un algoritmo cuántico para el filtrado combinado de ondas gravitacionales», se publica en Investigación de revisión física.