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Dr. Julian Berberich hat von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eine Förderung in Höhe von 1,16 Millionen Euro für den Aufbau einer neuen Emmy Noether-Nachwuchsgruppe erhalten. Der Regelungstechniker der Universität Stuttgart forscht an Methoden, um Quantenalgorithmen robuster zu machen. Dadurch wären Quantencomputer widerstandsfähiger gegenüber störenden Umgebungseinflüssen.
„Quantencomputer können bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Computer, zum Beispiel die Simulation komplexer Quantensysteme für mögliche Anwendungen in der Materialforschung, Chemie oder Arzneimittelentwicklung“, sagt Dr. Julian Berberich vom Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik (IST) der Universität Stuttgart. „Doch trotz enormer Fortschritte bei der Quantenhardware bleibt es herausfordernd, dieses Potenzial auszunutzen.“ Denn die hochempfindliche Quantenhardware lässt sich nicht vollständig vor störenden Umgebungseinflüssen schützen. In der Folge können die mit Quantencomputern berechneten Ergebnisse fehlerhaft sein.
Robuste Algorithmen von Natur aus
„Bisherige Ansätze trennen oft die Fehlerbehandlung von der Analyse und dem Entwurf der Quantenalgorithmen, zum Beispiel durch eine nachträgliche Fehlerkorrektur“, sagt Berberich. „Aber so bleibt das Potenzial für robustere Algorithmen ungenutzt.“ Das will der Ingenieur mit einem regelungstechnischen Ansatz ändern. „Wir entwickeln in der neuen Arbeitsgruppe Methoden, um die Robustheit und Stabilität von Quantenalgorithmen systematisch zu analysieren. Darauf aufbauend wollen wir Algorithmen entwerfen, die von Natur aus robuster sind und daher auf aktueller Quantenhardware zuverlässiger laufen.“
Die Idee der Regelungstechnik: Durch ständiges Messen und automatisches Nachjustieren kann sich ein System selbstständig so steuern, dass es auch bei Störungen genau das tut, was es soll. Ein einfaches Beispiel ist der Tempomat im Auto. Um mit konstanter Geschwindigkeit zu fahren, muss er ohne Zutun des Menschen auf Einflüsse wie Gegenwind, Steigungen oder Gefälle reagieren können, um die Geschwindigkeit konstant zu halten.
Nicht jeder Algorithmus eignet sich gleich gut
Was Berberich nun in seiner Forschung vorhat, lässt sich ebenfalls mit einer Analogie zum Auto veranschaulichen: der Suche nach der optimalen Strecke bei der Navigation. Um von einem Ort zum anderen zu kommen, gibt es meist mehrere Optionen. Die schnellste Route ist womöglich nicht die beste, weil sie einen Feldweg mit Schlaglöchern enthält – was einen Werkstattbesuch nach sich ziehen kann. Eine andere Route mag dagegen etwas mehr Zeit kosten, führt aber durchgehend über Asphalt. Bei Quantenalgorithmen ist es ähnlich: Einer mag sehr schnell sein, aber auch fehleranfälliger, weshalb es womöglich besser ist, einen Algorithmus zu wählen, der etwas langsamer ist, aber auch robuster.
„Wir wollen die Fehlerentstehung bei beliebigen Quantenalgorithmen mathematisch analysieren“, sagt Berberich. „Zunächst ermitteln wir dabei den Unterschied zum idealen – also fehlerfreien – Quantenalgorithmus. Dann geht es um die Frage, wie wir dieses Wissen bei realer Quantenhardware vorteilhaft ausnutzen können, um die Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Hierzu können wir immer wieder an verschiedenen Stellschrauben des Algorithmus drehen.“
Zusammenarbeit mit Physik und Informatik
Dazu arbeitet Berberichs Team mit anderen Forschungsgruppen zusammen. Auf der Theorieseite ist eine Kooperation mit Prof. Mariami Gachechiladze von der TU Darmstadt geplant. Sie gilt als Expertin für Modelle, um Fehler bei Quantencomputern beschreiben. Auf der experimentellen Seite kooperiert Berberich mit Prof. Tilman Pfau vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. Dessen Arbeitsgruppe forscht an Quantenhardware, die auf sogenannten Rydberg-Atomen beruht.
In den Experimenten geht es zunächst um die Frage, ob Berberichs theoretische Vorhersagen zur Eignung verschiedener Quantenalgorithmen zutreffend sind. „In einem zweiten Schritt untersuchen wir dann, inwieweit sich spezifische Eigenschaften eines Rydberg-Quantencomputers vorteilhaft für den Entwurf robuster Algorithmen ausnutzen lassen“, erläutert der Ingenieur. Diese beiden Fragen will seine Gruppe auch an einem supraleiterbasierten Quantencomputer experimentell überprüfen. Solche Systeme sind bereits im Rahmen von kommerziellen Angeboten über die Cloud zugänglich.
Stark interdisziplinäre Nachwuchsforschungsgruppe
„Unsere Forschung findet an der Schnittstelle zwischen Physik, Informatik, Mathematik und Ingenieurwissenschaften statt“, sagt Berberich. „Diese Interdisziplinarität wird sich auch in der Besetzung der Promotionsstellen in meiner Gruppe niederschlagen.“ Der Aufbau der Emmy Noether-Gruppe ist in vollem Gang: Drei Promotionsstellen sind eingeplant – hinzu kommen projektnahe Abschlussarbeiten für Bachelor- und Master-Studierende. Die ersten Projekte starten im Laufe dieses Jahres, gefördert wird die Gruppe über insgesamt sechs Jahre.
Über Dr. Julian Berberich
Julian Berberich (32) absolvierte ein duales Bachelor-Studium in Elektrotechnik an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg in Mannheim. Daran schloss er einen Master in Technischer Kybernetik an der Universität Stuttgart an. Er promovierte 2022 am Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik (IST) und ist seitdem dort als akademischer Rat tätig, seit 2025 als Oberrat. Auch Berberichs neue Emmy Noether-Gruppe zur Systemtheorie von Quantenalgorithmen ist am IST angesiedelt. Berberich ist zudem Associate Fellow des baden-württembergischen Forschungsnetzwerks Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) Auslandsaufenthalte führten ihn an die KTH Stockholm und die ETH Zürich.
Das Emmy Noether-Programm
Das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eröffnet herausragend qualifizierten Nachwuchswissenschaftler*innen die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von sechs Jahren für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren.
Dr. Julian Berberich, Emmy Noether-Nachwuchsgruppenleiter, Universität Stuttgart, Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik, Tel.: +49 711 685-67747, E-Mail: julian.berberich@ist.uni-stuttgart.de
https://www.uni-stuttgart.de/universitaet/aktuelles/meldungen/Neuer-Ansatz-fuer-...
https://www.ist.uni-stuttgart.de/de/
https://www.pi5.uni-stuttgart.de/de/
Julian Berberich leitet die neue Emmy Noether-Gruppe zur Systemtheorie von Quantenalgorithmen.
Quelle: Uli Regenscheit
Copyright: Universität Stuttgart
Julian Berberich will mit Hilfe mathematischer Methoden der Regelungstechnik die Fehleranfälligkeit ...
Quelle: Uli Regenscheit
Copyright: Universität Stuttgart
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Informationstechnik, Mathematik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsprojekte, Personalia
Deutsch
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