Mit Kontrolltheorie optimale Steuersequenzen finden

In der Kontrolltheorie geht es darum, Steuersequenzen zu finden, um ein Quantensystem so zu steuern, dass es Operationen optimal ausführt. Die Optimierung kann sich dabei beispielsweise auf die Zeit beziehen – Operationen sollen möglichst schnell ausgeführt werden – oder auf die Robustheit – Operationen sollen möglichst wenig anfällig für Schwankungen in den Umgebungsparametern sein. „Das Schöne ist: Der Algorithmus an sich ist plattformunabhängig, aber am Ende packst du es auf eine Plattform und probierst es aus“, erklärt Santana. Die optimalen Pulssequenzen modelliert Santana anhand theoretischer Modelle, bevor sie experimentell auf der Hardware getestet werden. Aktuell arbeitet er dafür eng mit dem Walther-Meißner-Institut (WMI) zusammen. „Inzwischen hat das WMI eine Cloud-Anbindung, für die ich quasi einer der Beta-Tester bin“, beschreibt Santana den Ablauf: „Ich bereite meine Experimente vor und bin zusammen mit dem Experimentalisten in einem Call. Dann sende ich meine Experimente rüber, er schaut, dass alles richtig ankommt und dann kriege ich meine Ergebnisse zurück.“ Die große Herausforderung sei es dann, die Ergebnisse, die nicht ganz der Theorie entsprechen, zu interpretieren. Daraus die richtigen Schlüsse für das weitere Vorgehen zu ziehen, sei alles andere als trivial: „Wenn Bausteine in der Theorie eine bestimmte Sache fordern, muss man sich stark überlegen, wie man das auf einem Hardware-System macht. Du musst dir was Cleveres überlegen.“ Dass er als MQV-Wissenschaftler dezidierten Zugang zu den eigenen Systemen im Ökosystem hat, ohne lange Wartezeiten in Kauf nehmen zu müssen, freut den Informatiker besonders. „Das ist halt cool! Nur du fährst die Experimente, kriegst die Ergebnisse zurück und dann kannst du direkt weiter machen“, schwärmt er.

„Kontrolltheorie ist ein notwendiger Schritt in der Entwicklung fast aller Quantencomputerplattformen“, betont der Wissenschaftler. Mit der reinen Kalibrierung von Gates käme man eben nur so und so weit: „Dann verändern sich die Systemparameter ein bisschen und am nächsten Tag funktioniert dein Gate nicht mehr gut. Mit Kontrolltheorie kann man viele solcher Sachen bekämpfen.“ Verglichen mit der Fehlerkorrektur, einem anderen Thema im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung, geht es darum, Fehler im System von vorneherein zu vermeiden. „Danach kannst du Fehlerkorrektur noch zusätzlich machen. Oder man verbindet beides ein bisschen, daran arbeiten wir auch gerade“, erklärt er.

Einheitliche Pulsschnittstellen entwickeln

Neben dem Design optimaler Pulssequenzen arbeitet Santana mit verschiedenen Mitgliedern und Partnern des MQV auch an Schnittstellen, die es ermöglichen, Pulsprogramme direkt auf die unterschiedliche Hardware zu spielen. Für Quantenschaltkreise wurde und wird im MQV bereits intensiv an einer einheitlichen Schnittstelle geforscht, die Hersteller von Quantenhardware implementieren können. Pulse liegen noch eine Ebene tiefer. Im Fall von supraleitender Hardware handelt es sich dabei beispielsweise um Mikrowellen, bei Hardware, die auf Neutralatomen basiert, um Laserstrahlen. „Für uns aus der Kontrolltheorie ist es wichtig, solche Pulsprogramme an verschiedene Plattformen zu bringen, um unsere Experimente zu fahren“, erklärt Santana. „Wenn ich mir zum Beispiel ein ganz tolles theoretisches Gatter ausgedacht habe, dann muss ich das ja auch irgendwie auf der Plattform ausführen können. Ziel ist es, analog zum Fall der Quantenschaltkreise, eine Pulsschnittstelle zu definieren, quasi eine einheitliche Sprache.“

Der Anstoß, über eine solche Pulsschnittstelle nachzudenken, kam von Santana in einem bereichsübergreifenden Meeting, in dem der Munich Quantum Software Stack vorgestellt wurde. Sich in verschiedene Vorträge und Kolloquien setzen, anhören was in den Bereichen außerhalb des eigenen Forschungsfokus passiert – diese Möglichkeit nutzt der 33-Jährige ohnehin gerne, wann immer er die Zeit dafür findet. „Da habe ich einfach mal gefragt, wie es aussieht mit so einer Pulsschnittstelle“, erzählt er im Rückblick. Jetzt gehe es darum, sich die Schnittstelle zunächst auszudenken und dann testweise zu implementieren. Einheitliche Schnittstellen auf verschiedenen Ebenen sind dann auch für die Industrie, speziell die Anbieter von Hardware, interessant. Für Santana kommt ein persönlicher Anreiz dazu: „Als Software-Mensch mag ich einfach Schnittstellen und standardisierte Zugänge. Das ist mir sehr wichtig“, sagt er und lacht.

Angetrieben von Wissensdurst

Mit seinem Hintergrund als Software-Entwickler in der Industrie bringt Santana auch einen eigenen Blickwinkel mit. Programmieren für die Wissenschaft sei oft einfach anders, auf ein bestimmtes Experiment zugeschnitten. In seiner Ausbildung lag der Fokus jedoch darauf, Software zu schreiben, die erweiterbar, wartbar und wiederverwendbar ist. Die Umstellung von „perfekte Software schreiben“ zu „gute Software schreiben“ sei besonders am Anfang eine große Herausforderung für ihn gewesen. „Ich wollte alles perfekt machen, so wurde ich geschult, so musste es sein“, erzählt er. Dass für ein Experiment häufig auch schon weniger ausreichend ist, musste er erst lernen. Dass er jedoch auch seinen für Experimente entwickelten Code in der Regel wiederverwenden und anpassen kann – dabei kommt ihm sein in der Software-Branche erlernter Perfektionismus wiederum zugute. „Früher habe ich Software entwickelt, um sie zu verkaufen. Jetzt entwickle ich Software, um sie als Werkzeug für wissenschaftliche Tätigkeiten einzusetzen. Und das macht mir unglaublich viel Spaß. Ganz im Herzen entwickle ich einfach gerne Software“, fasst der 33-Jährige es zusammen.

Die Tatsache, dass er heute in der Forschung arbeitet, ist etwas, das Santana mit Stolz erfüllt. „Ich hätte nie gedacht, dass ich mal in die Wissenschaft gehe“, erzählt er. „Ich hatte früher echt große Probleme mit der Schule.“ Zu autoritär und eingeschränkt empfand er sie damals. Wie wohl er sich heute in seinem fachlichen Bereich fühle, den er mehr oder weniger zufällig entdeckt hatte – ein kleines bisschen ungläubig wirkt er bei seiner Erzählung immer noch.

Was die Zukunft für ihn bereit hält, kann Santana gerade noch nicht absehen, feste Pläne hat er noch keine. „Soll ich einen Ph.D. anfangen oder nicht, das ist die Hauptfrage, die mich gerade umtreibt“, erzählt er. Reizen würde es ihn sehr, aber als junger Vater fragt er sich, ob er noch die Zeit dafür aufbringen kann und will. Familie gegen Karriere – dieses Klischee gefällt ihm eigentlich nicht, doch alles unter einen Hut zu bekommen, das stellt er sich schwierig vor. Auch dass er mit 33 Jahren später dran ist als die meisten, die einen Ph.D. anfangen, treibt ihn um. Aber nicht allzu sehr.„Ich freue mich jedes Jahr auf meinen Geburtstag, ich liebe es älter zu werden“, betont er. „Ich habe letztens mein erstes graues Haar gefunden, ich war sehr stolz“, ergänzt er lachend. Wie es auch kommen mag, gerade ist Santana sehr zufrieden und fühlt sich am DLR angekommen. Von großen Träumen hält er ohnehin nicht so viel: „Ich denke lieber immer von kleinem Traum zu kleinem Traum.“

Die Motivation, ständig weiter dazuzulernen, Neues auszuprobieren und sich fachlich weiterzuentwickeln treibt Santana jedenfalls beständig an. So beginnt er seine Tage gerne damit „irgendwas zu rechnen, so zum Spaß. Damit ich es später aus dem Ärmel schütteln kann“, wie er es beschreibt und es wird deutlich, wie viel Freude er an seiner Arbeit hat. Das gesamte Umfeld am DLR inspiriere ihn ungemein, motiviere ihn intrinsisch stark. „Satelliten sind halt viel spannender als Autos“, meint er lachend und mit Blick auf einen früheren Arbeitgeber. Neben seinen Themen im Quantenbereich arbeitet Santana auch im Satelliten-Betrieb in der Telemetrie. Mit Machine-Learning-Methoden wertet er die großen Datenmengen aus, die von den Satelliten bei jedem Überflug über die Bodenstation in Weilheim gesendet werden, um Risikovorhersagen zu den Satellitensystem zu machen. Dann geht es wieder zurück zur Programmierung von Quantensystemen. Wenn seine Kolleg:innen Probleme mathematischer Natur haben, kommen sie zu Santana, der sie implementiert. Und wenn ihm alles einmal zu viel wird, geht er zurück auf die Kommandobrücke: „Auf der Brücke ist es dunkel und man kann einmal kurz von allem wegkommen, das hilft ungemein. Dann kommt man nach ein paar Minuten wieder, schaut auf sein Problem und denkt sich… Ah!“

Veröffentlicht am 29. November 2024; Interview am 20. August 2024