Memory effects and geometrical considerations in open quantum systems

This thesis discusses memory effects in open quantum systems with an emphasis on the Breuer, Laine, Piilo (BLP) measure of non-Markovianity. It is shown how the calculation of the measure can be simplifed and how quantum information protocols can bene t from memory e ects. The superdense coding protocol is used as an example of this. The quantum Zeno effect will also be studied from the point of view of memory e ects. Finally the geometric ideas used in simplifying the calculation of the BLP measure are applied in studying the amount of resources needed for detecting bipartite quantum correlations. It is shown that to decide without prior information if an unknown quantum state is entangled or not, an informationally complete measurement is required. The first part of the thesis contains an introduction to the theoretical ideas such as quantum states, closed and open quantum systems and necessary mathematical tools. The theory is then applied in the second part of the thesis as the results obtained in the original publications I-VI are presented and discussed.

Fabrication and Pseudo-Analog Characteristics of Ta2O5 -Based ReRAM Cell

Memristori on yksi elektroniikan peruskomponenteista vastuksen, kondensaattorin ja kelan lisäksi. Se on passiivinen komponentti, jonka teorian kehitti Leon Chua vuonna 1971. Kesti kuitenkin yli kolmekymmentä vuotta ennen kuin teoria pystyttiin yhdistämään kokeellisiin tuloksiin. Vuonna 2008 Hewlett Packard julkaisi artikkelin, jossa he väittivät valmistaneensa ensimmäisen toimivan memristorin. Memristori eli muistivastus on resistiivinen komponentti, jonka vastusarvoa pystytään muuttamaan. Nimens mukaisesti memristori kykenee myös säilyttämään vastusarvonsa ilman jatkuvaa virtaa ja jännitettä. Tyypillisesti memristorilla on vähintään kaksi vastusarvoa, joista kumpikin pystytään valitsemaan syöttämällä komponentille jännitettä tai virtaa. Tämän vuoksi memristoreita kutsutaankin usein resistiivisiksi kytkimiksi. Resistiivisiä kytkimiä tutkitaan nykyään paljon erityisesti niiden mahdollistaman muistiteknologian takia. Resistiivisistä kytkimistä rakennettua muistia kutsutaan ReRAM-muistiksi (lyhenne sanoista resistive random access memory). ReRAM-muisti on Flash-muistin tapaan haihtumaton muisti, jota voidaan sähköisesti ohjelmoida tai tyhjentää. Flash-muistia käytetään tällä hetkellä esimerkiksi muistitikuissa. ReRAM-muisti mahdollistaa kuitenkin nopeamman ja vähävirtaiseman toiminnan Flashiin verrattuna, joten se on tulevaisuudessa varteenotettava kilpailija markkinoilla. ReRAM-muisti mahdollistaa myös useammin bitin tallentamisen yhteen muistisoluun binäärisen (”0” tai ”1”) toiminnan sijaan. Tyypillisesti ReRAM-muistisolulla on kaksi rajoittavaa vastusarvoa, mutta näiden kahden tilan välille pystytään mahdollisesti ohjelmoimaan useampia tiloja. Muistisoluja voidaan kutsua analogisiksi, jos tilojen määrää ei ole rajoitettu. Analogisilla muistisoluilla olisi mahdollista rakentaa tehokkaasti esimerkiksi neuroverkkoja. Neuroverkoilla pyritään mallintamaan aivojen toimintaa ja suorittamaan tehtäviä, jotka ovat tyypillisesti vaikeita perinteisille tietokoneohjelmille. Neuroverkkoja käytetään esimerkiksi puheentunnistuksessa tai tekoälytoteutuksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Ta2O5 -perustuvan ReRAM-muistisolun analogista toimintaa pitäen mielessä soveltuvuus neuroverkkoihin. ReRAM-muistisolun valmistus ja mittaustulokset käydään läpi. Muistisolun toiminta on harvoin täysin analogista, koska kahden rajoittavan vastusarvon välillä on usein rajattu määrä tiloja. Tämän vuoksi toimintaa kutsutaan pseudoanalogiseksi. Mittaustulokset osoittavat, että yksittäinen ReRAM-muistisolu kykenee binääriseen toimintaan hyvin. Joiltain osin yksittäinen solu kykenee tallentamaan useampia tiloja, mutta vastusarvoissa on peräkkäisten ohjelmointisyklien välillä suurta vaihtelevuutta, joka hankaloittaa tulkintaa. Valmistettu ReRAM-muistisolu ei sellaisenaan kykene toimimaan pseudoanalogisena muistina, vaan se vaati rinnalleen virtaa rajoittavan komponentin. Myös valmistusprosessin kehittäminen vähentäisi yksittäisen solun toiminnassa esiintyvää varianssia, jolloin sen toiminta muistuttaisi enemmän pseudoanalogista muistia.