Un nuevo método para identificar señales de ondas gravitacionales utilizando la 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 necesario para comparar señales de ondas gravitacionales con una amplia base de datos de modelos.

Este proceso, conocido como filtrado combinado, es parte de la metodología que sustenta 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, detectan las débiles ondas en el espacio-tiempo causadas por eventos astronómicos masivos como la colisión y fusión de agujeros negros.

El filtrado combinado permite que las computadoras capturen señales de ondas gravitacionales a partir del ruido de los datos recopilados por el detector. Funciona analizando los datos, buscando una señal que coincida con uno de los potencialmente cientos de billones de modelos: datos preconstruidos que probablemente se correlacionen con una señal de onda gravitacional genuina.

Si bien el proceso ha permitido varias 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 de revisión físicael equipo describe cómo el proceso puede ser acelerado en gran medida por un computación cuántica técnica llamada Grover algoritmo.

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 pueden modelar su comportamiento, lo que permite a los investigadores desarrollar técnicas que pueden adoptarse cuando la tecnología madure y las computadoras cuánticas estén disponibles.

El equipo de Glasgow es el primero en adaptar el algoritmo de Grover para fines de búsqueda de ondas gravitacionales. En el artículo, demuestran cómo lo aplicaron a la investigación de ondas gravitacionales utilizando un software desarrollado con el lenguaje de programación Python y Qiskit, una herramienta para simular 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 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, esto significa que, por ejemplo, si una búsqueda usando computación clásica toma un año, la misma búsqueda solo puede tomar una semana con su algoritmo cuántico.

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

«Mi coautor y yo éramos estudiantes de doctorado cuando comenzamos este trabajo, y tuvimos la suerte de tener 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 centrado en un tipo de investigación en este artículo, es posible que también se pueda adaptar para otros procesos que, como este, no requieren que la base de datos se cargue en memoria de acceso aleatorio.»

Fergus Hayes, un 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 el desarrollo y análisis de datos LIGO.

«El trabajo interdisciplinario que lideramos 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». prospecto, y esperamos desarrollar esta prueba de concepto temprana en el futuro».

El artículo fue coescrito por el Dr. Sara Croke, Dra. Christopher Messenger y el Dr. John Veitch, todos de la Escuela 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 publicó en Investigación de revisión física.