Une nouvelle méthode d'identification des signaux d'ondes gravitationnelles à l'aide de l'informatique quantique pourrait constituer un nouvel outil précieux pour les futurs astrophysiciens.

Une équipe de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow a développé un algorithme quantique pour réduire considérablement le temps nécessaire pour faire correspondre les signaux d'ondes gravitationnelles à une vaste banque de données de modèles.

Ce processus, connu sous le nom de filtrage adapté, fait partie de la méthodologie qui sous-tend certaines des découvertes de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de détecteurs tels que l'observatoire gravitationnel de l'interféromètre laser (LIGO) en Amérique et Virgo en Italie.

Ces détecteurs, les capteurs les plus sensibles jamais créés, captent les faibles ondulations dans l'espace-temps causées par des événements astronomiques massifs comme la collision et la fusion de trous noirs.

Le filtrage adapté permet aux ordinateurs de retirer les signaux d'ondes gravitationnelles du bruit des données collectées par le détecteur. Il fonctionne en passant au crible les données, en recherchant un signal qui correspond à l'un des centaines de billions de modèles potentiels - des éléments de données pré-créés susceptibles d'être corrélés à un véritable signal d'onde gravitationnelle.

Bien que le processus ait permis de nombreuses détections d'ondes gravitationnelles depuis que LIGO a capté son premier signal en septembre 2015, il prend du temps et nécessite beaucoup de ressources.

Dans un nouvel article publié dans la revue Physical Review Research , l'équipe décrit comment le processus pourrait être grandement accéléré par une technique d'informatique quantique appelée l'algorithme de Grover.

L'algorithme de Grover, développé par l'informaticien Lov Grover en 1996, exploite les capacités et les applications inhabituelles de la théorie quantique pour rendre le processus de recherche dans les bases de données beaucoup plus rapide.

Alors que les ordinateurs quantiques capables de traiter des données à l'aide de l'algorithme de Grover sont encore une technologie en développement, les ordinateurs conventionnels sont capables de modéliser leur comportement, permettant aux chercheurs de développer des techniques qui peuvent être adoptées lorsque la technologie a mûri et que les ordinateurs quantiques sont facilement disponibles.

L'équipe de Glasgow est la première à adapter l'algorithme de Grover aux fins de la recherche d'ondes gravitationnelles. Dans l'article, ils démontrent comment ils l'ont appliqué aux recherches d'ondes gravitationnelles grâce à un logiciel qu'ils ont développé à l'aide du langage de programmation Python et de Qiskit, un outil de simulation de processus informatiques quantiques.

Le système développé par l'équipe est capable d'accélérer le nombre d'opérations proportionnellement à la racine carrée du nombre de modèles. Les processeurs quantiques actuels sont beaucoup plus lents à effectuer des opérations de base que les ordinateurs classiques, mais à mesure que la technologie se développe, leurs performances devraient s'améliorer. Cette réduction du nombre de calculs se traduirait par une accélération dans le temps. Dans le meilleur des cas, cela signifie que, par exemple, si une recherche utilisant l'informatique classique prendrait un an, la même recherche pourrait prendre aussi peu qu'une semaine avec leur algorithme quantique.

Le Dr Scarlett Gao, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université, est l'un des principaux auteurs de l'article. Le Dr Gao a déclaré :"Le filtrage adapté est un problème que l'algorithme de Grover semble bien placé pour aider à résoudre, et nous avons été en mesure de développer un système qui montre que l'informatique quantique pourrait avoir des applications précieuses dans l'astronomie des ondes gravitationnelles.

"Mon co-auteur et moi étions doctorants lorsque nous avons commencé ce travail, et nous sommes chanceux d'avoir eu accès au soutien de certains des plus grands chercheurs britanniques en informatique quantique et en ondes gravitationnelles pendant le processus de développement de ce logiciel. .

"Bien que nous nous soyons concentrés sur un type de recherche dans cet article, il est possible qu'il puisse également être adapté à d'autres processus qui, comme celui-ci, ne nécessitent pas que la base de données soit chargée dans une mémoire vive quantique."

Fergus Hayes, un doctorat. étudiant à l'École de physique et d'astronomie, est co-auteur principal de l'article. Il a ajouté :"Les chercheurs ici à Glasgow travaillent sur la physique des ondes gravitationnelles depuis plus de 50 ans, et le travail dans notre Institut de recherche gravitationnelle a aidé à étayer les aspects de développement et d'analyse des données de LIGO.

"Le travail interdisciplinaire que le Dr Gao et moi avons mené a démontré le potentiel de l'informatique quantique dans le filtrage adapté. À mesure que les ordinateurs quantiques se développeront dans les années à venir, il est possible que des processus comme ceux-ci puissent être utilisés dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. C'est un perspective passionnante, et nous sommes impatients de développer cette première preuve de concept à l'avenir."

L'article a été co-écrit par le Dr Sarah Croke, le Dr Christopher Messenger et le Dr John Veitch, tous de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow.

L'article de l'équipe, intitulé "A quantum algorithm for gravitational wave matching filtering", est publié dans Physical Review Research . + Explorer plus loin

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