Universität Stuttgart
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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 Soft materials for acoustic applications(2022) Choi, Eunjin; Fischer, Peer (Prof. Dr.)Ultrasound finds wide application in imaging and testing because ultrasound can penetrate tissue and is benign. Gaseous microbubbles strongly scatter ultrasound and are therefore used as contrast agents. Ultrasound responsive materials can be used for many industrial and biomedical applications. Ultrasound can also be used to exert forces and manipulate particles solution and biological cells. In this thesis, material systems are developed for three application areas: 1) models of human organs for the quantitative evaluation of surgical procedures with ultrasound; 2) the fabrication of soft objects by assembling polymeric particles with ultrasound and the acoustic hologram; and 3) the characterization of antibubbles as novel contrast agents that can carry a fluid load. Organ phantoms serve as tools in medical fields to train and plan medical procedures. However, current organ phantoms miss important features or are not realistic. Current models tend to possess a Young’s modulus that is much higher than that of tissue. Furthermore, many of the current models do not show the correct contrast in a medical imaging setting. This thesis presents high fidelity organ phantoms that possess the correct elasticity, compliance, optical appearance, and correct ultrasound contrast. One model is developed for cystoscopy (CY) of the bladder. Another phantom for the transurethral resection of the prostate (TURP). The quality of the phantoms is validated by medical practitioners. For CY, the execution time of the medical practitioners is recorded to completely map the inside of the bladder phantom while localizing tumor models that have been embedded in the bladder wall. For TURP, the quality of the resection is compared with ultrasound imaging before and after the surgical simulation. Parameters are defined to quantify the success of the procedure. The phantoms developed as part of this thesis have received high satisfaction scores from medical practitioners. The parameters reflect the experience of the surgeons. In assembling soft matter, one challenge is that existing 3D printing methods are slow. In contrast, the use of ultrasound patterns shaped with a recently invented acoustic hologram allows objects to be built at once. In this thesis, polydimethylsiloxane (PDMS) particles have been assembled into two-dimensional shapes with ultrasound. To fix the assembly, the PDMS has been physically functionalized with an initiator using swelling. Suitable swelling solutions have been determined based on their solubility. The stability of the physisorbed initiators is evaluated, and the functionalized PDMS particles are fixed via photopolymerization after assembly in aqueous polyethylene glycol dimethacrylate (PEG-DMA) solutions. The fabrication steps can be repeated to increase the thickness of structures that are mechanically stable. The antibubble is an emerging ultrasound contrast agent. It has an inverse form to a conventional bubble in that a substance in the core is surrounded by a gaseous layer. The antibubble is acoustically responsive and, compared to conventional microbubbles, can carry a much greater load. In this thesis, the structure of antibubbles is examined. In particular, the volume of the load is quantified, and the amount of gas per bubble is estimated. The stability of the core substance against diffusion is investigated and shown to be stable for over 11 h.Item Open Access Development and investigation of protonic ceramic cells for hydrogen production at intermediate temperatures(2024) Zheng, Haoyu; Thess, André (Prof. Dr.)Item Open Access The benefit of muscle-actuated systems : internal mechanics, optimization and learning(Stuttgart : Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme, Computational Biophysics and Biorobotics, 2023) Wochner, Isabell; Schmitt, Syn (Prof. Dr.)We are facing the challenge of an over-aging and overweight society. This leads to an increasing number of movement disorders and causes the loss of mobility and independence. To address this pressing issue, we need to develop new rehabilitation techniques and design innovative assistive devices. Achieving this goal requires a deeper understanding of the underlying mechanics that control muscle-actuated motion. However, despite extensive studies, the neural control of muscle-actuated motion remains poorly understood. While experiments are valuable and necessary tools to further our understanding, they are often limited by ethical and practical constraints. Therefore, simulating muscle-actuated motion has become increasingly important for testing hypotheses and bridge this knowledge gap. In silico, we can establish cause-effect relationships that are experimentally difficult or even impossible to measure. By changing morphological aspects of the underlying musculoskeletal structure or the neural control strategy itself, simulations are crucial in the quest for a deeper understanding of muscle-actuated motion. The insights gained from these simulations paves the way to develop new rehabilitation techniques, enhance pre-surgical planning, design better assistive devices and improve the performance of current robots. The primary objective of this dissertation is to study the intricate interplay between musculoskeletal dynamics, neural controller and the environment. To achieve this goal, a simulation framework has been developed as part of this thesis, enabling the modeling and control of muscle-actuated motion using both model-based and learning-based methods. By utilizing this framework, musculoskeletal models of the arm, head-neck complex and a simplified whole-body model are investigated in conjunction with various concepts of motor control. The main research questions of this thesis are therefore: 1. How does the neural control strategy select muscle activation patterns to generate the desired movement, and can we use this knowledge to design better assistive devices? 2. How does the musculoskeletal dynamics facilitate the neural control strategy in accomplishing this task of generating desired movements? To address these research questions, this thesis comprises a total of five journal and conference articles. More specifically, contributions I-III of this thesis focus on addressing the first research question which aims to understand how voluntary and reflexive movements can be predicted. First, we investigate various optimality principles using a musculoskeletal arm model to predict point-to-manifold reaching tasks. By using predictive simulations, we demonstrate how the arm would move towards a goal if, for example, our neural control strategy would minimize energy consumption. The main finding of this contribution shows that it is essential to include muscle dynamics and consider tasks with more openly defined targets to draw accurate conclusions about motor control. Through our analysis, we show that a combination of mechanical work, jerk and neuronal stimulation effort best predicts point-reaching when compared to human experiments. Second, we propose a novel method to optimize the design of exoskeleton power units taking into account the load cycle of predicted human movements. To achieve this goal, we employ a forward dynamic simulation of a generic musculoskeletal arm model, which is first scaled to represent different individuals. Next, we predict individual human motions and employ the predicted human torques to scale the electrical power units employing a novel scalability model. By considering the individual user needs and task demands, our approach achieves a lighter and more efficient design. In conclusion, our framework demonstrates the potential to improve the design of individual assistive devices. The third contribution focuses on predicting reflexive movements in response to sudden perturbations of the head-neck complex. To achieve this, we conducted experiments in which volunteers were placed on a table while supporting their heads with a trapdoor. This trapdoor was then suddenly released leading to a downward movement of the head until the reflexive reaction of the muscles stops the head from falling. We analyzed the results of these experiments, presenting characteristic parameters and highlighting differences between separate age and gender groups. Using this data, we also set up benchmark validations for a musculoskeletal head-neck model, including reflex control strategies. Our main findings are that there are large individual differences in reflexive responses between participants and that the perturbation direction significantly affects the reflexive response. Furthermore, we show that this data can be used as a benchmark test to validate musculoskeletal models and different muscle control strategies. While the first three contributions focus on the research question (1), contributions IV-V focus on (2) whether and how the musculoskeletal dynamics facilitate the learning and control task of various movements. We utilize a recently introduced information-theoretic approach called control effort to quantify the minimally required information to perform specific movements. By applying this concept, we can for example quantify how much biological muscles reduce the neuronal information load compared to technical DC-motors. We present a novel optimization algorithm to find this control effort and apply it to point-reaching and walking tasks. The main finding of this contribution is that the musculoskeletal dynamics reduce the control effort required for these movements compared to torque-driven systems. Finally, we hypothesize that the highly nonlinear muscle dynamics not only facilitate the control task but also provide inherent stability that is beneficial for learning from scratch. To test this, we employed various learning strategies for multiple anthropomorphic tasks, including point-reaching, ball-hitting, hopping, and squatting. The results of this investigation demonstrate that using muscle-like actuators improves the data-efficiency of the learning tasks. Additionally, including the muscle dynamics improves the robustness towards hyperparameters and allows for a better generalization towards unknown and unlearned perturbations. In summary, this thesis enhances existing methods to control and learn muscle-actuated motion, quantifies the control effort needed to perform certain movements and demonstrates that the inherent stability of the muscle dynamics facilitates the learning task. The models, control strategies, and experimental data presented in this work aid researchers in science and industry to improve their predictions in various fields such as neuroscience, ergonomics, rehabilitation, passive safety systems, and robotics. This allows us to reverse-engineer how we as humans control movement, uncovering the complex relationship between musculoskeletal dynamics and neural controller.Item Open Access Selektive Elektrodynamische Fragmentierung : Zerkleinerungsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zur Rückgewinnung von Wertstoffen(2020) Pestalozzi, Samuel Fadri; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Aufschluss und Sortierung sind zentrale Schritte moderner Recyclingtechnologien. Eine treibende Kraft für die Suche nach neuen Aufbereitungsverfahren ist die Zusammensetzung moderner Produkte, welche eine zunehmende Stoffvielfalt aufweisen, was für herkömmliche Recyclingtechnologien eine erhebliche Schwierigkeit darstellt. Parallel dazu steigen auch die Anforderungen an Aufbereitungsverfahren durch steigende Verwertungsquoten. Bei der im Feststoff-Recycling bisher weit verbreiteten mechanischen Zerkleinerung wird zwar die Korngröße des Aufgabegutes verringert, die einzelnen Körner bestehen dann aber teilweise noch immer aus einem Konglomerat verschiedener Stoffe. Als alternatives Verfahren zu mechanischen Zerkleinerungstechnologien wird in dieser Arbeit die Fragmentierung mittels Hochspannungsentladungen (HSE) in Wasser untersucht. Bei der elektrodynamischen Fragmentierung (EDF, SelFrag Lab S2.1) werden mittels hoher Spannungen (90-200 kV) bei kurzer Pulsanstiegszeit (150-200 ns) Feststoffdurchschläge ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen die Entladungen bei der elektrohydraulischen Fragmentierung (EHF, ImpulsTec EHF-100) geringere Spannungswerte (30-50 kV) bei längerer Pulsanstiegszeit (500-2 000 ns), was zu Durchschlägen im Arbeitsmedium führt. Die thermische Expansion im Entladungskanal (bis 10^4 K) führt in beiden Fällen zu Druckschwankungen (bis 10^10 Pa), welche die erwünschte Fragmentierung verursachen. Bei Feststoffdurchschlägen werden die Druckschwankungen innerhalb des Materials ausgelöst (Zugkräfte). Bei Entladungen im Arbeitsmedium propagieren die Druckschwankungen durch das Medium und treffen von außen auf die Probenoberfläche (Druckkräfte). Elektropulsverfahren werden für die Auftrennung von Mineralien zwar seit Jahren eingesetzt, ihre Anwendung im Recyclingbereich ist jedoch bisher wenig wissenschaftlich untersucht worden. Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von HSE gegenüber mechanischer Zerkleinerung ist die verbesserte Selektivität beim Feststoff-Aufschluss. Dies birgt somit das Potential, den nachgeschalteten Trennprozess effizienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist ein grundlegendes Prozessverständnis der Fragmentierung von Verbundmaterialien mittels HSE. Die Erforschung von Zerkleinerungsmechanismen bildet dabei den ersten Schritt in der Entwicklung eines Verfahrens zur Kreislaufführung von Verbundmaterialien durch HSE. Als Forschungs- und Entwicklungslücke hinsichtlich ausgewählter sekundärer Stoffströme wurde die Anwendung zur Aufbereitung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen identifiziert und durch die vorliegende Arbeit geschlossen. Die Beiträge zum theoretischen Prozessverständnis umfassten Grundlagenuntersuchungen zur Festlegung und Bestimmung von Kennwerten zum Aufbereitungserfolg, systematische Aufbereitungsuntersuchungen sowie Übertragbarkeitsuntersuchungen mit weiteren Werkstoffen. Dabei wurden drei Haupt-Kennwerte verwendet. Der Zerkleinerungsgrad (Z) beschreibt das Verhältnis der medianen Korngröße vor und nach einem Zerkleinerungsvorgang. Der Funkenwirkungsgrad (ηPF) beschreibt das Verhältnis von in der Anlage eingesetzter Pulsenergie zu im Prozessgefäß umgesetzter Funkenenergie. Der Liberationsgrad (L) quantifiziert den Aufbereitungserfolg durch einen Vergleich zwischen der Masse eines freigelegten Zielwerkstoffes und dessen gesamter Masse im Werkstoffverbund. Das Prozessverständnis wurde durch Versuche mit kugelförmigen Modell-Probenkörpern aus der Verfahrenstechnik (Bruchkugeln mit Durchmesser 16 mm) erweitert. Als Modellmaterialien wurden Kalk-Natron-Glas (Glas) und Aluminiumoxid (Keramik) verwendet. Zur Quantifizierung einzelner Zerkleinerungsmechanismen wurden neben Bruchkugeln aus Glas oder Keramik auch bruchfeste Kugeln aus Naturkautschuk verwendet. Auf Basis dieser Versuche wurde die Zerkleinerungswirkung des elektrodynamischen Effektes quantitativ mit einer Überlagerung aus elektrohydraulischem Effekt und autogenem Mahleffekt verglichen. Als Modellparameter wurde hierzu der jeweils erreichte Zerkleinerungsgrad (Z) der massenspezifisch umgesetzten Zerkleinerungsenergie (EZ) gegenübergestellt (dZ/dEZ). Zur getrennten Betrachtung des elektrodynamischen Zerkleinerungsmechanismus einerseits und einer Überlagerung aus Elektrohydraulik und autogener Mahlung andererseits wurde eine Positionierhilfe aus ABS verwendet. Für Versuche mit Glaskugeln stieg der elektrodynamische Anteil am Zerkleinerungserfolg von 53 % mit Positionierhilfe auf 67 % ohne Positionierhilfe an. Bei der Fragmentierung von Keramikkugeln wurde eine rein elektrodynamische Fragmentierung ohne messbaren Beitrag des elektrohydraulischen Effektes und des autogenen Mahleffektes nachgewiesen. Dieses Ergebnis wurde auch durch die Tatsache gestützt, dass nach Entnahme der Positionierhilfe der Wert für dZ/dEZ bei Glas um den Faktor 5,7 anstieg, wohingegen der Anstieg bei Keramik mit einem Faktor von 1,4 deutlich geringer ausfiel. Im Gegensatz zu einer mechanischen Zekleinerung mittels Prallmühlen wurden im Verlauf einer Fragmentierung mittels HSE zunächst sinkende Werte für dEZ/dD50 gemessen. Im weiteren Zerkleinerungsverlauf stiegen die dEZ/dD50-Werte bei HSE dann ähnlich wie bei einer mechanischen Zekleinerung fortlaufend an. Als mögliche Gründe für diesen atypischen Zerkleinerungsverlauf wurden neben der in der Literatur beschriebenen Vorschwächung aufgrund hoher induzierter Dehnraten die bei der EDF wirkenden Zugkräfte identifiziert. Ein Übergang von sinkenden zu steigenden dEZ/dD50-Werten könnte somit ein Hinweis auf eine vermehrte elektrohydraulische Fragmentierung sein, da diese wie bei mechanischer Aufbereitung auf Druckkräften beruht. Eine Hypothese aus der Literatur besagt, dass sich Werkstoffverbunde mit größerer interner Permittivitätsdifferenz mittels EDF besser auftrennen lassen als homogener aufgebaute Verbunde. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Anwendungsversuche mit Photovoltaik-Modulen (Typ CdTe und CIS), Glasfaserverbundwerkstoffen sowie Proben aus dem Elektrogerätebereich (Steckerverbindungen und Lautsprechermodule) mit unterschiedlicher interner Permittivitätsdifferenz durchgeführt. Die interne Permittivitätsdifferenz wurde über die Grenzflächenpolarisation (dε) nach Debye definiert. Aus der EDF dieser Proben ergab sich für eine Grenzflächenpolarisation über dε=100 ein Prozessfenster, in welchem eine Liberation von L > 80 % erreicht wurde. Dieses Modellvorgehen erlaubt somit die Einteilung noch unerforschter Werkstoffverbunde in zwei Gruppen zur Aufschlusszerkleinerung mittels entweder EDF oder EHF. Bei der Fragmentierung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen (DPV) vom Typ CIS konnte festgestellt werden, dass die Liberation der enthaltenen Halbleitermetalle nicht vom Spannungsniveau, sondern lediglich von der total umgesetzten Pulsenergie abhängig war. Bei demselben Energieumsatz von 121-125 J/g erreichten sowohl die EHF als auch die EDF vergleichbare Liberationswerte über 80 %. Bei CIS-DPV wurde somit trotz eines hohen Wertes von dε=2900 entgegen der Hypothese aus der Literatur kein verbessertes Trennergebnis der EDF gegenüber der EHF beobachtet. Da für Pulse höherer Spannung ein anlagenspezifisch größerer Aufwand nötig ist, ist somit eine Fragmentierung von CIS-DPV bei tieferen Spannungen und somit die EHF der EDF vorzuziehen. Im Ergebnis zeigte diese Arbeit, dass ein Einsatz von HSE zur erhöhten Selektivität beim Feststoff-Aufschluss unter Berücksichtigung des Entladungstypus (EDF oder EHF) erfolgen muss. Mit Hilfe von Modellsubstanzen konnte der elektrodynamische Anteil einer Zerkleinerung stoffspezifisch auf 100 % (Keramik) resp. 53 bis 67 % (Glas) quantifiziert werden. Dies schließt ungeeignete Werkstoffe ohne elektrohydraulische Zerkleinerungswirkung wie etwa Keramik von einer EHF aus. Im Zusammenhang mit einer Fragmentierung durch HSE wurde in der Literatur nebem der Permittivität auch die akustische Impedanz als wichtige Einflussgröße genannt, welche sich somit als weiterer Modellierungsansatz anbietet. Im Rahmen dieser Promotion wurden neben Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen zusätzlich noch Ansätze zur Erweiterung des Prozessfensters der Fragmentierung mittels HSE aufgezeigt. Zur Spektroskopie während der EDF wurde eine Prozessgefäßmodifikation mit Sichtfenster umgesetzt und die Plasmatemperatur aus den aufgenommenen Emissionsspektren mit 6 800-7 700 K bestimmt. Mittels Kalibration der Spektrogramme durch Fragmentierung bekannter Reinststoffe könnte diese Modifikation in einem möglichen Folgevorhaben zur Elementidentifikation eingesetzt werden. Zur Fragmentierung in alternativen Prozessmedien wurde des Weiteren ein Autoklav entwickelt und ein erster Prototyp gefertigt, dessen Konstruktion derzeit zur Sicherstellung eines erfolgreichen Entladungsverlaufes überarbeitet wird.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.Item Open Access Improving optical measurements, online monitoring, growth modeling, and automated control in microalgae production of Phaeodactylum tricornutum(2024) Yeh, Yen-Cheng; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)