טוביה נולד וגדל ברחובות ומגיל צעיר התעניין בפילוסופיה ובפיזיקה. בזמן שירותו הצבאי הוא התחיל ללמוד מתמטיקה באוניברסיטה הפתוחה. סיים את התואר הראשון במתמטיקה ופיזיקה באוניברסיטה העברית בירושלים במסגרת תכנית המצטיינים האינטרדיסציפלינרית "אמירים". התוצאות המפתיעות והעמוקות של תורת הקוונטים יחד עם האלגנטיות המתמטית שלה שכנעו אותו להתעמק בפיזיקה ולהמשיך לתואר השני. במהלך התואר השני הצטרף לקבוצת המחקר של אלכס רצקר, ושם נחשף לראשונה לתחום של אינפורמציה וטכנולוגיות קוונטיות. האתגרים היסודיים ביצירת טכנולוגיה חדשה זו ריתקו וממשיכים לרתק אותו.

במסגרת לימודי התואר השני חקר טוביה את האפשרות התאורטית של שיפור מדידות מדויקות באמצעות שימוש בתיקון שגיאות קוונטי, פרויקט שהוביל לפרסום שני פרוטוקולים חדשים והגביר את העניין שלו במדידות קוונטיות מדויקות. בקבוצת המחקר של פרופ' רצקר המחקר של טוביה מתמקד במדידות מדויקות קוונטיות, ובמיוחד בתאוריה של ספקטרוסקופיה עם סנסורים קוונטיים. מציאת פרוטוקולים אופטימליים לבעיה זו יכולה לשפר במידה ניכרת את היעילות של שיטות הדמיה שונות, עם השלכות חשובות בכימיה, בביולוגיה וברפואה. באופן כללי יותר טוביה מתעניין בתאוריה של אינפורמציה קוונטית ובהשלכות של התאוריה הזאת על מדידות מדויקות וגם על עניינים אחרים בהנדסה קוונטית. הוא מקווה למצוא שיטות ופרוטוקולים חדשים שאפשר ליישם בניסויים כבר עם הטכנולוגיה הקיימת.