Thuật toán mới có thể là bước nhảy lượng tử trong tìm kiếm sóng hấp dẫn

Các sự kiện vũ trụ là nguồn gốc phát sinh sóng hấp dẫn.

Một nhóm nghiên cứu từ trường vật lý và thiên văn Glasgow đã phát triển một thuật toán lượng tử để giảm bớt một cách đáng kể thời gian tìm kiếm những tín hiệu sóng hấp dẫn có trong các cơ sở dữ liệu lớn.

Quá trinh này, được gọi là lọc khớp thông tin, là một phần của phương pháp đang được củng cố trong một số khám phá tín hiệu sóng hấp dẫn từ các máy dò như Đài quan sát giao thoa kế laser (LIGO) ở Mĩ và Virgo ở Italy.

Những máy dò đó, những cảm biến nhạy nhất trong số cảm biến từng được chế tạo, đã lựa chọn được những gợn sóng mờ nhạt trong không thời gian, bắt nguồn từ những sự kiện thiên văn quy mô lớn như vụ sáp nhập và va chạm của các lỗ đen.

Việc lọc khớp cho phép các máy tính chọn ra được những tín hiệu sóng hấp dẫn khỏi các nhiễu của dữ liệu do máy dò thu thập. Nó hoạt động bằng việc sàng lọc qua dữ liệu, tìm kiếm một tín hiệu có thể khớp với một tín hiệu sóng hấp dẫn trong hàng trăm nghìn tỉ mẫu tiềm năng – những mảnh ghép của dữ liệu mà trong đó tương quan với một tín hiệu sóng hấp dẫn.

Kể từ khi LIGO tìm được tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên vào tháng 9/2015, quá trinh này tốn mất nhiều thời gian và đòi hỏi nguồn lực tính toán. Quá trình mới này có thể cho phép các nhà khoa học thực hiện được vô số cuộc dò sóng hấp dẫn mà không phải gặp những hạn chế đó.

Trong một bài báo mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Research, nhóm nghiên cứu đã miêu tả cách quá trình này có thể làm gia tốc một cách vô cùng đáng kể bằng một kỹ thuật tính toán lượng tử mang tên thuật toán của Grover.

Thuật toán của Grover, do nhà khoa học máy tính Lov Grover vào năm 1996, khai thác những khả năng và ứng dụng khác thường của lý thuyết lượng tử để khiến quá trình tìm kiếm thông qua các cơ sở dữ liệu trở nên nhanh hơn. Trong khi các máy tính lượng tử có năng lực xử lý dữ liệu bằng việc sử dụng thuật toán của Grover vẫn còn đợi một công nghệ đang được phát triển, các máy tính thông thường có năng lực mô hình hóa hành xử của chúng, cho phép các nhà nghiên cứu phát triển các kỹ thuật có thể được chấp thuận khi công nghệ này hoàn thiện và các máy tính lượng tử sẵn sàng.

Nhóm nghiên cứu ở Glasgow đã là nhóm đầu tiên áp dụng dược thuật toán của Grover cho những mục tiêu tìm kiếm sóng hấp dẫn. Trong bài báo mới xuất bản, họ mô tả cách ứng dụng nó vào các cuộc tìm kiếm sóng hấp dẫn thông qua phần mềm mà họ phát triển bằng sử dụng ngôn ngữ lập trình Python và Qiskit, một công cụ mô phỏng các quá trình tính toán lượng tử.

Hệ thống này được nhóm nghiên cứu phát triển, có năng lực tăng tốc số các hoạt động tương đương với bình phương số mẫu. Các bộ xử lý lượng tử hiện hành đều chậm hơn máy tính thông thường ở hiệu suất của vận hành cơ bản, nhưng khi công nghệ này được phát triển, hiệu suất hoạt động của chúng được chờ đợi sẽ cải thiện hơn. Sự giảm bớt số lượng tính toán có thể chuyển thành tốc độ theo thời gian. Trong những trường hợp thành công nhất có nghĩa là nếu một tìm kiếm bằng máy tính cổ điển có thể mất cả năm thì cuộc tìm kiếm tương tự có thể chỉ mất một tuần với thuật toán lượng tử.

Tiến sĩ Scarlett Gao của trường Vật lý và thiên văn, đại học Glasgow là một trong những tác giả đầu của công trình. Cô cho rằng “việc lọc khớp là một vấn đề mà thuật toán của Grover được xem là vừa khéo để giúp giải quyết, và chúng tôi đã có thể phát triển một hệ thống có thể chứng tỏ được tính toán lượng tử có những ứng dụng giá trị trong thiên văn sóng hấp dẫn.

“Đồng tác giả của tôi và tôi đều là nghiên cứu sinh tiến sĩ khi chúng tôi bắt tay vào công trình này, và chúng tôi may mắn khi có được sự ủng hộ của những nhà nghiên cứu hàng đầu Anh về tính toán lượng tử và sóng hấp dẫn trong suốt quá trình phát triển phần mềm này”.

“Mặc dù chúng tôi tập trung vào một dạng tìm kiếm cụ thể trong công trình này nhưng hệ này có thể có khả năng áp dụng được cho những quá trình khác mà không đòi hỏi cơ sở dữ liệu được tải vào bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử”.

Fergus Hayes, một nghiên cứu sinh khác của trường Vật lý và thiên văn học, đồng tác giả thứ nhất của bài báo, cho biết thêm “các nhà nghiên cứu ở Glasgow đã nghiên cứu về vật lý sóng hấp dẫn hơn 50 năm, và việc được làm việc trong Viện nghiên cứu Sóng hấp dẫn cho phép chúng tôi củng cố thêm quá trình phát triển hệ và phân tích dữ liệu ở nhiều khía cạnh của LIGO.

“Công trình nghiên cứu liên ngành mà tiến sĩ Gao và tôi thực hiện đã thể hiện được tiềm năng của tính toán lượng tử trong lọc khớp dữ liệu. Vì các máy tính lượng tử được phát triển trong những năm tới, có thể là các quá trình xử lý như vậy hữu dụng với những máy dò sóng hấp dẫn trong tương lai. Đó là một viễn cảnh vô cùng hấp dẫn và chúng tôi đang háo hức chờ đón sự phát triển bằng chứng ban đầu của khái niệm này trong tương lai”.

Công trình của nhóm nghiên cứu “A quantum algorithm for gravitational wave matched filtering” (Một thuật toán lượng tử cho lọc khớp sóng hấp dẫn) đã được xuất bản trong Physical Review Research ¹.