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Quantencomputer versprechen, komplexe chemische und physikalische Probleme zu lösen, an denen heutige Supercomputer scheitern. Ein besonders vielversprechendes Werkzeug dafür ist der "ADAPT-VQE"-Algorithmus. Seine Besonderheit: Er baut sein Rechenprogramm nicht im Voraus zusammen, sondern passt es während der Berechnung dynamisch an. Doch dieser smarte Ansatz hat eine Schwachstelle – er gerät oft in sogenannte "Gradiententäler" (Gradient Troughs). Das sind trügerische mathematische Sackgassen, in denen die Leitsignale für den Algorithmus so schwach werden, dass er stecken bleibt und den Rechenprozess teilweise sogar fälschlicherweise für beendet hält. Dieses Problem sind wir in unserer Diplomarbeit angegangen.
Das Projekt im Überblick: Effizientere Berechnungen für Quantencomputer
Worum geht es? Die Simulation von komplexen Systemen, wie etwa das Verhalten von Molekülen in der Chemie, ist eine der wichtigsten Aufgaben für zukünftige Quantencomputer. Ein sehr vielversprechender Algorithmus dafür heißt ADAPT-VQE. Seine Besonderheit ist, dass er das benötigte Quantenprogramm (den sogenannten "Schaltkreis") nicht im Voraus starr festlegt, sondern während der Berechnung Schritt für Schritt dynamisch aufbaut.
Das Problem: Die "Gradiententäler" Obwohl diese Methode viele Vorteile bietet, wird der Algorithmus oft durch ein Phänomen namens "Gradiententäler" (Gradient Troughs) blockiert. In einer solchen Phase sinken die mathematischen Wegweiser, an denen sich das Programm orientiert, plötzlich drastisch ab. Der Algorithmus "denkt", er habe das endgültige Ziel erreicht, obwohl er eigentlich noch weit von der optimalen Lösung entfernt ist. Das führt dazu, dass der Prozess fälschlicherweise gestoppt wird oder extrem viele aufwändige Messungen benötigt, um überhaupt weiterzukommen.
Die Lösung Bisher hat der Standard-Algorithmus neue Rechenschritte immer nur stur an das Ende des bisherigen Schaltkreises angehängt. In diesem Projekt wurde ein völlig neuer Ansatz entwickelt, um diese Sackgassen zu erkennen und zu überwinden. Wir haben gemeinsam mit unseren Projektpartnern der Virginia Tech herausgefunden, dass man dem Programm neue Wege aufzeigen kann, indem man die Rechenschritte an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Schaltkreises einfügt – also statt nur am Ende auch mal ganz am Anfang oder in der Mitte.
Der Nutzen Durch dieses clevere Platzieren erhält der Algorithmus wieder klare Signale, in welche Richtung er weiterrechnen muss. Er kann so erfolgreich aus den "Sackgassen" entkommen und benötigt gleichzeitig deutlich weniger Messaufwand. Im Ergebnis führt diese Methode zu einer schnelleren und sichereren Berechnung, ohne den Quantenschaltkreis unnötig groß zu machen. Das bringt uns der praktischen und effizienten Nutzung von ADAPT-VQE in Quantencomputern einen großen Schritt näher.
Unsere Publikation
Unsere Publikation zu den Ergebnissen der Arbeit ist bereits als Preprint unter folgendem Link Verfügbar: www.arxiv.org/abs/2512.25004. Updates bezüglich Peer-Review und Journal Publikation werden hier geteilt, sobald diese verfügbar sind.
Die Diplomarbeit
Da wir die Verteidigung der Diplomarbeit noch nicht hatten, ist es uns aktuell nicht möglich die Diplomarbeit öffentlich zur Verfügung zu stellen. Wir werden diese hier veröffentlichen, sobald das möglich ist. Um informiert zu werden, sobald diese Zugänglich ist bitte hier registrieren.
Updates
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Wichtige Termine binnen der nächsten Wochen:
HTL Vorarlberg Award 2026 (21.05.2026)
Jugend Innovativ 2026 (27.05.2026-29.05.2025)
