05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Rigorous compilation for near-term quantum computers(2024) Brandhofer, Sebastian; Polian, Ilia (Prof.)Quantum computing promises an exponential speedup for computational problems in material sciences, cryptography and drug design that are infeasible to resolve by traditional classical systems. As quantum computing technology matures, larger and more complex quantum states can be prepared on a quantum computer, enabling the resolution of larger problem instances, e.g. breaking larger cryptographic keys or modelling larger molecules accurately for the exploration of novel drugs. Near-term quantum computers, however, are characterized by large error rates, a relatively low number of qubits and a low connectivity between qubits. These characteristics impose strict requirements on the structure of quantum computations that must be incorporated by compilation methods targeting near-term quantum computers in order to ensure compatibility and yield highly accurate results. Rigorous compilation methods have been explored for addressing these requirements as they exactly explore the solution space and thus yield a quantum computation that is optimal with respect to the incorporated requirements. However, previous rigorous compilation methods demonstrate limited applicability and typically focus on one aspect of the imposed requirements, i.e. reducing the duration or the number of swap gates in a quantum computation. In this work, opportunities for improving near-term quantum computations through compilation are explored first. These compilation opportunities are included in rigorous compilation methods to investigate each aspect of the imposed requirements, i.e. the number of qubits, connectivity of qubits, duration and incurred errors. The developed rigorous compilation methods are then evaluated with respect to their ability to enable quantum computations that are otherwise not accessible with near-term quantum technology. Experimental results demonstrate the ability of the developed rigorous compilation methods to extend the computational reach of near-term quantum computers by generating quantum computations with a reduced requirement on the number and connectivity of qubits as well as reducing the duration and incurred errors of performed quantum computations. Furthermore, the developed rigorous compilation methods extend their applicability to quantum circuit partitioning, qubit reuse and the translation between quantum computations generated for distinct quantum technologies. Specifically, a developed rigorous compilation method exploiting the structure of a quantum computation to reuse qubits at runtime yielded a reduction in the required number of qubits of up to 5x and result error by up to 33%. The developed quantum circuit partitioning method optimally distributes a quantum computation to distinct separate partitions, reducing the required number of qubits by 40% and the cost of partitioning by 41% on average. Furthermore, a rigorous compilation method was developed for quantum computers based on neutral atoms that combines swap gate insertions and topology changes to reduce the impact of limited qubit connectivity on the quantum computation duration by up to 58% and on the result fidelity by up to 29%. Finally, the developed quantum circuit adaptation method enables to translate between distinct quantum technologies while considering heterogeneous computational primitives with distinct characteristics to reduce the idle time of qubits by up to 87% and the result fidelity by up to 40%.Item Open Access Analytical and numerical investigations of form-finding methods for tensegrity structures(2007) Gomez Estrada, Giovani; Bungartz, Hans-Joachim (Prof. Dr.)The analysis of statically indeterminate structures requires the calculation of an initial equilibrium geometry. Tensegrity structures are one of such statically indeterminate structures, with the additional constraint of holding their equilibrium configuration with the action of internal forces and without any anchorage point or external forces. The only source of balance is the state of self-stress held among tensile and compression forces. Tensegrity structures are thus statically indeterminate structures in a stable state of self-stressed self-equilibrium. The basic problem with the modelling of statically indeterminate structures is that there is no unique solution for the forces or geometry that equilibrate a structure. This is where form-finding comes into play. The process of determining their three-dimensional equilibrium shape is commonly called form-finding. This dissertation presents two investigations, one analytical and one numerical on the form-finding of tensegrity structures. Both are in fact complementary. The main results from these investigations appear in [77, 78, 79, 80]. The analytical form-finding for a class of highly symmetric structures with cylindrical shape is first presented, while the numerical procedure for general structures is given in the second part. A thorough analysis of tensegrity cylinders, e.g., the triplex and the quadruplex, is presented in analytical form. Moreover, the numerical procedure here presented is able to reproduce the results obtained with other form-finding methods with great accuracy. The versatility of the novel numerical form-finding procedure is nonetheless demonstrated by solving not only cylindrical and spherical but also new tensegrity structures.Item Open Access Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen(2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.Item Open Access Untersuchung der CMOS-kompatiblen Materialien Aluminium, Nickel, Titan, Germanium und Germanium-Zinn für plasmonische Anwendungen(2022) Berkmann, Fritz; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)In dieser Arbeit wurden mehrere Materialien auf ihre Tauglichkeit für plasmonische Anwendungen untersucht. Dazu wurden Kammantennen aus Ge/GeSn sowie Nickel und Titan hergestellt und auf ihre Eignung als Pixel für thermographische Anwendungen untersucht. Zudem wurden Aluminium-Nanolochgitter hergestellt, welche als Brechungsindexsensoren und Biosensoren eingesetzt werden können.Item Open Access Learning structured models for active planning : beyond the Markov paradigm towards adaptable abstractions(2018) Lieck, Robert; Toussaint, Marc (Prof. Dr.)Item Open Access Resilience of quantum optimization algorithms(2024) Ji, Yanjun; Polian, Ilia (Prof. Dr.)Quantum optimization algorithms (QOAs) show promise in surpassing classical methods for solving complex problems. However, their practical application is limited by the sensitivity of quantum systems to noise. This study addresses this challenge by investigating the resilience of QOAs and developing strategies to enhance their performance and robustness on noisy quantum computers. We begin by establishing an evaluation framework to assess the performance of QOAs under various conditions, including simulated noise-free and error-modeled environments, as well as real noisy hardware, providing a foundation for guiding the development of enhancement strategies. We then propose innovative techniques to improve the performance of algorithms on near-term quantum devices characterized by limited qubit connectivity and noisy operations. Our study introduces an effective compilation process that maximizes the utilization of classical and quantum resources. To overcome the restricted connectivity of hardware, we develop an algorithm-oriented qubit mapping approach that bridges the gap between heuristic and exact methods, providing scalable and optimal solutions. Additionally, we demonstrate, for the first time, selective optimization of quantum circuits on real hardware by optimizing only gates implemented with low-quality native gates, providing significant insights for large-scale quantum computing. We also investigate error mitigation strategies and their dependence on hardware features and algorithm implementation details, emphasizing the synergistic effects of error mitigation and circuit design. While error mitigation can suppress the effects of noise, hardware quality and circuit design are ultimately more critical for achieving high performance. Building upon these insights, we explore the cooptimization of algorithm design and hardware implementation to achieve optimal performance and resilience. By optimizing gate sequences and parameters at the algorithmic level and minimizing error-prone two-qubit gates during compilation, we demonstrate significant improvements in QOA performance. Finally, we explore the practical application of QOAs in real-world problems, emphasizing the importance of optimizing parameters in problem instances to identify optimal solutions. With extensive experiments conducted on real devices, this dissertation makes a substantial contribution to the field of quantum optimization, providing both theoretical foundations and practical strategies for addressing the challenges posed by near-term quantum hardware. Our findings pave the way for the realization of practical quantum computing applications and unlock the full potential of QOAs.