„In meiner Arbeit verbinden sich zwei verschiedene Welten“
Forschen an der Schnittstelle zwischen Physik und Informatik
Während sich Laura Herzog in ihrer Bachelorarbeit noch intensiv mit philosophischen Fragen zur Interpretation der Quantenmechanik auseinandergesetzt hat, forscht sie mittlerweile im Anwendungsfeld des Quantencomputing. An ihrem Promotionsthema im Bereich der Quantenfehlerkorrektur gefällt ihr besonders, dass sie ihr Wissen als theoretische Physikerin mit praktischen Problemen aus der Informatik verknüpfen kann.
Von Maria Poxleitner
„Zsssh…Klack“ – Laura Herzogs Kolleg:innen sind mittlerweile mit dem leisen Geräusch vertraut, das jeden Morgen im großen Gemeinschaftsbüro zu hören ist, wenn die Doktorandin ihre Spezi-Dose öffnet. Was bei anderen der morgendliche Kaffee ist, um in den Arbeitstag zu starten, ist bei Laura das Mischgetränk aus Cola und Orangenlimonade. Das habe sie sich irgendwann während des Bachelors angewöhnt, gesteht die 26-Jährige. Ihr Arbeitsplatz befindet sich ganz hinten im „TUM Quantum Space“, wie ihre Arbeitsgruppe den hellen, Loft-artigen Raum ganz oben im Gebäude der Technischen Universität München (TUM) an der Arcisstraße getauft hat. Lauras Spezi-Dose findet auf einem selbstgehäkelten Untersetzer Platz. „Das ist ein Surface-Code!“, sagt sie und deutet auf das gehäkelte Quadrat, das sich aus zwei roten und zwei gelben, schachbrettartig angeordneten Quadraten zusammensetzt, und an dessen Seiten entlang der halben Seitenlänge jeweils noch ein Halbrund, auch jeweils rot oder gelb, angefügt ist.
Die Doktorandin promoviert im Bereich der Quantenfehlerkorrektur, in der ein Quantenfehlerkorrektur-Code vorgibt, auf welche Weise ein sogenanntes logisches Qubit in mehreren physikalischen Qubits kodiert wird. Es gibt eine ganze Schar verschiedener Quantenfehlerkorrektur-Codes. Der Surface-Code ist einer davon und das zweifarbige Muster mit den Quadraten und Halbrunden dessen grafische Darstellung – sozusagen die Bauanleitung für das logische Qubit: „Auf jeder Ecke dieser Quadrate sitzt ein physikalisches Qubit“, erklärt Laura. Im Falle ihres Untersetzers habe man also genau neun physikalische Qubits. „Und die farbigen Formen, also die Quadrate und Halbrunde, bezeichnen die Stabilizer des Codes“, fährt die Doktorandin fort. Mit diesen sogenannten Stabilizern überwache man in gewisser Weise permanent, ob Fehler auftreten, wobei die Qubits überwacht werden, die an den Ecken der jeweiligen Form sitzen und die Farbe der Form angibt, nach welcher Art von Fehler man Ausschau hält. „Die Stabilizer beschreiben das, was du permanent messen musst, um deine Fehler zu detektieren und dann auch korrigieren zu können.“ Gemessen werden allerdings nicht die Datenqubits, die an den Ecken sitzen – schließlich würde dadurch deren Quantenzustand verändert – sondern Hilfsqubits, die zwischen den Datenqubits sitzen. Alles zusammen, also sozusagen der gesamte Untersetzer, würde auch als „Patch“ bezeichnet, schließt Laura ihre Ausführungen ab.
Die Details verstehen, um dann zu abstrahieren
Datenqubits, Hilfsqubits, Stabilizer – in dem kleinen Untersetzer, dem Patch, steckt sehr viel Information drin und das simple Muster aus Quadraten und Halbrunden birgt mehr Komplexität als es auf den ersten Blick scheinen mag. In ihrer aktuellen Forschung versucht Laura sich von all diesen Details zu lösen, zu abstrahieren und allgemeinere Vorgehensweisen für das Kompilieren von Quantenalgorithmen abzuleiten.
Laura Herzog, 26
Position
Doktorandin
Institut
TUM – Lehrstuhl für Design Automation
QACI
Studium
Physik
Laura forscht an Kompilierungsmethoden für fehlerkorrigierte Quantencomputer. Dafür muss sie sich zunächst mit den Details spezifischer Quantenfehlerkorrektur-Codes auseinandersetzen, dann aber abstrahieren, um allgemeinere Probleme aus dem Bereich der Informatik ableiten zu können.
Kompilieren – wie auch beim klassischen Computer – bedeutet, dass ein Algorithmus in eine Sprache übersetzt wird, die der Prozessor versteht, und letztlich als eine Abfolge von physikalischen Operationen umgesetzt wird, die auf der jeweiligen Hardware-Plattform ausgeführt werden können. Bei Quantenhardware mit Fehlerkorrektur spielt an einer bestimmten Stelle in diesem vielschichtigen Kompilierungsprozess dabei auch eine Rolle, welcher Quantenfehlerkorrektur-Code verwendet wird. „Der Surface-Code ist aktuell der beliebteste Code in der Community, alle machen immer nur Surface-Code. Aber andere Codes haben auch ihre Vorteile,“ betont Laura. In einem ihrer ersten Paper hat sie sich deshalb damit auseinandergesetzt, wie weit sie sich von den spezifischen Details einzelner Codes entfernen und einen allgemeineren Formalismus für bestimmte Kompilierungsschritte ableiten kann, der nicht ausschließlich für den Surface-Code, sondern gleich für mehrere verschiedene Codes gültig ist. Dafür müsse man erstmal verstehen, wie die verschiedenen Quantenfehlerkorrektur-Codes im Detail funktionieren – ein sehr physiklastiges Thema, wie die Doktorandin findet, das sehr viele grundlegende Konzepte der Quanteninformationstheorie beinhalte. Ausgehend von diesem Detailwissen könne man dann aber versuchen zu abstrahieren und Probleme formulieren, die letztendlich Probleme aus der Informatik seien. Genau dieser Brückenschlag ist es, der Laura am Forschen im Bereich der Quantenfehlerkorrektur so gefällt: „Das finde ich schön an dem Thema. In meiner Arbeit verbinden sich sozusagen zwei verschiedene Welten.“
Das spiegelt sich auch in Lauras Arbeitsgruppe wieder: „Es ist super interdisziplinär. Ich glaube ungefähr die Hälfte hat Physik studiert und die andere Hälfte Informatik.“ Sie selbst gehört zur Gruppe der Physiker:innen. An der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München absolvierte sie ihren Bachelor. Dass sie Physik studieren will, habe sie schon früh gewusst, erinnert sich die Doktorandin. Mit 13 oder 14 Jahren habe sie angefangen, populärwissenschaftliche Bücher über Physik zu lesen. „Das hat mich alles sehr fasziniert und ich habe mir damals vorgenommen, dass ich das verstehen und auch studieren will.“ Gelesen habe sie alles Mögliche: „Über Kosmologie, Astrophysik, Quantenmechanik… Ich glaube, damals hatte ich noch nicht so richtig die Vorstellung, dass man das nicht alles lernt, wenn man Physik studiert, sondern sich irgendwann für eine Sache entscheiden muss“, meint sie lachend.
Von der Philosophie der Quantenmechanik bis zum Quantencomputer
Lauras Entscheidung fiel auf die Quantenwissenschaften. Auf das Thema Quantencomputing steuerte sie aber nicht von Vornherein zu. „In der Bachelorarbeit habe ich noch mehr zur Philosophie der Quantenmechanik gemacht,“ erzählt sie. Es sei darum gegangen wie man die Bellsche Ungleichung verstehen kann, also auch um eine intensive Auseinandersetzung mit Begriffen wie „Realismus“ und „Lokalität“. Nach dem Bachelor entfernte sich Laura etwas von diesen sehr grundlegenden Fragen zur Interpretation der Quantenmechanik und schlug mit dem „Quantum Science and Technology (QST)“-Master, der gemeinsam von LMU und TUM angeboten wird, etwas mehr den Weg Richtung Anwendungen der Quantenmechanik ein. Sie war damals Teil des zweiten Jahrgangs dieses noch ganz neuen Masterprogramms und eine der ersten Studentinnen, die das MQV-Stipendium für Wissenschaftlerinnen erhielten. „Das Stipendium war eine riesige Erleichterung,“ betont die Physikerin. Außerdem seien nach wie vor deutlich mehr Männer als Frauen im QST-Master eingeschrieben. „Ich finde es gut, dass es speziell ein Stipendium für Frauen ist!“
Im Master sei Quantencomputing zwar im Rahmen der Pflichtvorlesungen behandelt worden, erzählt Laura, sie selbst sei dann aber mehr und mehr „in die kondensierte Materie abgedriftet“ – ein Bereich der Physik, der sich vor allem mit den Eigenschaften fester und flüssiger Systeme befasst, die durch das Zusammenspiel sehr vieler Teilchen bestimmt werden. Am Lehrstuhl für Theoretische Nanophysik schrieb sie schließlich ihre Masterarbeit. Was sie am Thema ihrer Thesis am meisten reizte, war dabei die Methodik: In einer Vorlesung zu numerischen Methoden in der kondensierten Materie habe sie gemerkt, wie sehr es ihr Spaß macht, wissenschaftlichen Code zu schreiben. In der Masterarbeit habe sich das dann nochmal bestätigt.
Der Spaß am Programmieren und das Gefühl, dass Software schreiben das ist, was sie auch in Zukunft machen will, verstärkten sich auch während Lauras Hiwi-Stelle am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Nürnberg, wo sie bereits in den Monaten vor Beginn ihrer Masterarbeit angestellt war. Anfangs habe sie nicht die Absicht gehabt, den Job bei Fraunhofer parallel zur Masterarbeit weiterzumachen, aber die Arbeit dort habe ihr einfach so gut gefallen, meint Laura. „An den Stress von damals denke ich nicht so gerne zurück. Ich denke gerne daran zurück, was ich alles gelernt habe – und tatsächlich würde ich auch sagen, dass mich die Arbeit bei Fraunhofer wieder zurück zum Quantencomputing gebracht hat.“ Anders als bei ihrem jetzigen Promotionsthema sei es dort um Methoden gegangen, die es ermöglichen sollen, große Algorithmen auch auf heutigen NISQ-Computern, also nicht-fehlerkorrigierten Quantencomputern, laufen lassen zu können. Über ihre Hiwi-Stelle wurde die Physikerin schließlich auch auf den Lehrstuhl ihres jetzigen Doktorvaters Robert Wille aufmerksam, mit dem ihre Kolleg:innen bei Fraunhofer für ein Projekt zusammengearbeitet hatten.
Online im Ausland
Dass sie sich auf die Stelle bei Fraunhofer – die sie letztlich auch zu ihrer jetzigen Promotionsstelle geführt hat – überhaupt erst beworben hat, hat Laura auch einem etwas verkorksten Auslandssemester zu verdanken. Sie habe nur nach einer Hiwi-Stelle gesucht, um die Zeit zwischen Semesterende und Masterarbeitsbeginn zu überbrücken, die sich aufgrund der verschobenen Semesterzeiten zwischen China und Deutschland ergeben habe, erklärt die Physikerin. Dabei war Laura nie in China. Wegen der Corona-Pandemie habe sie das Auslandssemester nur online absolvieren können, erzählt sie lachend. Bereut habe sie es trotzdem nicht. Nicht nur ist das Auslandssemester der Grund, dass sie zu Fraunhofer und darüber zu ihrer jetzigen Promotionsstelle gekommen ist. Das zusätzliche Semester habe es ihr auch ermöglicht, Vorlesungen zu belegen, für die sie sonst nie Zeit gehabt hätte. „Zum Beispiel eine Vorlesung zu Machine Learning“, sagt Laura, „oder auch eine zu Wittgenstein“, schiebt sie schmunzelnd hinterher. Alles in allem sei es aber eine „komische Zeit“ gewesen, denn die Vorlesungen hätten ja mitten in der Nacht stattgefunden: „Oft bin ich früh ins Bett, um dann um zwei Uhr morgens aufzustehen, bis fünf Uhr wach zu sein, um dann nochmal drei Stunden zu schlafen – das war wild.“
Mittlerweile schätzt die Doktorandin wieder den etwas geregelteren Tagesablauf. Ihr sei es auch wichtig zwischen Arbeit und Freizeit zu trennen, das habe sie sich vor Beginn der Promotion vorgenommen. In ihrer Freizeit befasst sich Laura aktuell mit einem „größeren Privat-Projekt“, wie sie es nennt. Ihr Urgroßvater sei während des Nationalsozialismus im Widerstand gewesen, erzählt sie. „Das war für mich lange immer so ein ‚Legenden-Ding‘ aus der Familie, aber vor einem Jahr habe ich angefangen, mich näher damit auseinanderzusetzen und dazu zu recherchieren.“ Ihr bisher wichtigster Fund sei die Gestapo-Akte ihres Urgroßvaters, die sie im Bundesarchiv entdeckt und dort angefragt habe. Eine solche Recherche verschaffe einem einen anderen Zugang zu dieser Zeit: „So wird es sehr viel nahbarer und ist nicht nur etwas, das in Geschichtsbüchern steht.“ Einem werde dadurch noch bewusster, dass das alles Realität war – „Realität, die bis heute relevant ist.“
„In einem interdisziplinären Team zu arbeiten ist sehr bereichernd. Man kann sehr viel voneinander lernen.“
Aktuell kommt Laura für die Arbeit jeden Tag ins Büro, auch wenn sie sehr frei darin seien, von wo aus sie arbeiten. Auch viele ihrer Kolleg:innen sind vor Ort. Es herrscht eine konzentrierte Atmosphäre. Dass das Team gerne hier arbeitet und sich in seinem „Quantum Space“ wohlfühlt, ist auch an der liebevollen Zimmerdekoration zu sehen. Viele Pflanzen, vor allem bunte Lego-Blumen, schmücken den Raum. Die junge Physikerin ist sehr zufrieden mit der Wahl ihrer Promotionsstelle: „In einem interdisziplinären Team zu arbeiten ist sehr bereichernd. Man kann sehr viel voneinander lernen.“ Sie selbst profitiere beispielsweise von den hohen Ansprüchen, die hier am Lehrstuhl in Sachen „guten Code schreiben“ hochgehalten würden. „Ich habe ja auch davor schon gerne Code geschrieben – aber halt immer so ‚physikermäßig‘.“ Da spiele die Arbeit hier am Lehrstuhl nochmal in einer ganz anderen Liga. All diese vielen Regeln und Qualitätsstandards für gute Software-Entwicklung zu lernen, ist für Laura ein wichtiges Ziel ihrer Promotion. Und wie es für sie danach weitergeht – „das wird sich zeigen“.
Veröffentlicht am 28.11.2025; Interview am 15. Oktober 2025