Non-Markovian dynamics in quantum optical dephasing channels

Quantum computation and quantum communication are two of the most promising future applications of quantum mechanics. Since the information carriers used in both of them are essentially open quantum systems it is necessary to understand both quantum information theory and the theory of open quantum systems in order to investigate realistic implementations of such quantum technologies. In this thesis we consider the theory of open quantum systems from a quantum information theory perspective. The thesis is divided into two parts: review of the literature and original research. In the review of literature we present some important definitions and known results of open quantum systems and quantum information theory. We present the definitions of trace distance, two channel capacities and superdense coding capacity and give a reasoning why they can be used to represent the transmission efficiency of a communication channel. We also show derivations of some properties useful to link completely positive and trace preserving maps to trace distance and channel capacities. With the help of these properties we construct three measures of non-Markovianity and explain why they detect non-Markovianity. In the original research part of the thesis we study the non-Markovian dynamics in an experimentally realized quantum optical set-up. For general one-qubit dephasing channels we calculate the explicit forms of the two channel capacities and the superdense coding capacity. For the general two-qubit dephasing channel with uncorrelated local noises we calculate the explicit forms of the quantum capacity and the mutual information of a four-letter encoding. By using the dynamics in the experimental implementation as a set of specific dephasing channels we also calculate and compare the measures in one- and two-qubit dephasing channels and study the options of manipulating the environment to achieve revivals and higher transmission rates in superdense coding protocol with dephasing noise. Kvanttilaskenta ja kvanttikommunikaatio ovat kaksi puhutuimmista tulevaisuuden kvanttimekaniikan käytännön sovelluksista. Koska molemmissa näistä informaatio koodataan systeemeihin, jotka ovat oleellisesti avoimia kvanttisysteemejä, sekä kvantti-informaatioteorian, että avointen kvanttisysteemien tuntemus on välttämätöntä. Tässä tutkielmassa käsittelemme avointen kvanttisysteemien teoriaa kvantti-informaatioteorian näkökulmasta. Tutkielma on jaettu kahteen osioon: kirjallisuuskatsaukseen ja omaan tutkimukseen. Kirjallisuuskatsauksessa esitämme joitakin avointen kvanttisysteemien ja kvantti-informaatioteorian tärkeitä määritelmiä ja tunnettuja tuloksia. Esitämme jälkietäisyyden, kahden kanavakapasiteetin ja superdense coding -kapasiteetin määritelmät ja esitämme perustelun sille, miksi niitä voidaan käyttää kuvaamaan kommunikointikanavan lähetystehokkuutta. Näytämme myös todistukset kahdelle ominaisuudelle, jotka liittävät täyspositiiviset ja jäljensäilyttävät kuvaukset jälkietäisyyteen ja kanavakapasiteetteihin. Näiden ominaisuuksien avulla konstruoimme kolme epä-Markovisuusmittaa ja perustelemme, miksi ne havaitsevat dynamiikan epä-Markovisuutta. Oman tutkimuksen osiossa tutkimme epä-Markovista dynamiikkaa kokeellisesti toteutetussa kvanttioptisessa mittausjärjestelyssä. Yleisen yhden qubitin dephasing-kanavan tapauksessa laskemme molempien kanavakapasiteettien ja superdense coding -kapasiteetin eksplisiittiset muodot. Yleisen kahden qubitin korreloimattomien ympäristöjen dephasing-kanavan tapauksessa laskemme yhteisen informaation lausekkeen nelikirjaimisessa koodauksessa ja kvanttikanavakapasiteetin. Käyttämällä kokeellisen mittajärjestelyn dynamiikkoja esimerkki dephasing-kanavina me myös laskemme konstruoitujen epä-Markovisuusmittojen arvot ja vertailemme niitä yksi- ja kaksi-qubitti-dephasing-kanavissa. Lisäksi käyttäen kokeellisia esimerkkikanavia tutkimme, kuinka ympäristöä manipuloimalla superdense coding –skeemassa voidaan saada yhteinen informaatio ajoittain kasvamaan tai saavuttaa kaikenkaikkiaan korkeampi lähetystehokkuus.

Covariant Phase Observables in Quantum Mechanics

The aim of this thesis is to present a solution to the quantum phase problem of the single-mode optical field. The solution is based on the use of phase shift covariant normalized positive operator measures. These measures describe realistic direct coherent state phase measurements such as the phase measurement schemes based on eight-port homodyne detection or heterodyne detection. The structure of covariant operator measures and, more generally, covariant sesquilinear form measures is analyzed in this work. Four different characterizations for phase shift covariant normalized positive operator measures are presented. The canonical covariant operator measure is definded and its properties are studied. Finally, some other suggested phase theories are introduced to investigate their connections to the covariant sesquilinear form measures.

Quantum transport phenomena and shallow impurity states in CdSb

This work is dedicated to investigation of the energy spectrum of one of the most anisotropic narrow-gap semiconductors, CdSb. At the beginning of the present studies even the model of its energy band structure was not clear. Measurements of galvanomagnetic effects in wide temperature range (1.6 - 300 K) and in magnetic fields up to 30 T were chosen for clarifying of the energy spectrum in the intentionally undoped CdSb single crystals and doped with shallow impurities (In, Ag). Detection of the Shubnikov - de Haas oscillations allowed estimating the fundamental energy spectrum parameters. The shapes of the Fermi surfaces of electrons (sphere) and holes (ellipsoid), the number of the equivalent extremums for valence band (2) and their positions in the Brillouin zone were determined for the first time in this work. Also anisotropy coefficients, components of the tensor of effective masses of carriers, effective masses of density of states, nonparabolicity of the conduction and valence bands, g-factor and its anisotropy for n- and p-CdSb were estimated for the first time during these studies. All the results obtained are compared with the cyclotron resonance data and the corresponding theoretical calculations for p-CdSb. This is basic information for the analyses of the complex transport properties of CdSb and for working out the energy spectrum model of the shallow energy levels of defects and impurities in this semiconductor. It was found out existence of different mechanisms of hopping conductivity in the presence of metal - insulator transition induced by magnetic field in n- and p-CdSb. Quite unusual feature opened in CdSb is that different types of hopping conductivity may take place in the same crystal depending on temperature, magnetic field or even orientation of crystal in magnetic field. Transport properties of undoped p-CdSb samples show that the anisotropy of the resistivity in weak and strong magnetic fields is determined completely by the anisotropy of the effective mass of the holes. Temperature and magnetic field dependence of the Hall coefficient and magnetoresistance is attributed to presence of two groups of holes with different concentrations and mobilities. The analysis demonstrates that below Tcr ~ 20 K and down to ~ 6 - 7 K the low-mobile carriers are itinerant holes with energy E2 ≈ 6 meV. The high-mobile carriers, at all temperatures T < Tcr, are holes activated thermally from a deeper acceptor band to itinerant states of a shallower acceptor band with energy E1 ≈ 3 meV. Analysis of temperature dependences of mobilities confirms the existence of the heavy-hole band or a non-equivalent maximum and two equivalent maxima of the light-hole valence band. Galvanomagnetic effects in n-CdSb reveal the existence of two groups of carriers. These are the electrons of a single minimum in isotropic conduction band and the itinerant electrons of the narrow impurity band, having at low temperatures the energies above the bottom of the conduction band. It is found that above this impurity band exists second impurity band of only localized states and the energy of both impurity bands depend on temperature so that they sink into the band gap when temperature is increased. The bands are splitted by the spin, and in strong magnetic fields the energy difference between them decreases and redistribution of the electrons between the two impurity bands takes place. Mobility of the conduction band carriers demonstrates that scattering in n-CdSb at low temperatures is strongly anisotropic. This is because of domination from scattering on the neutral impurity centers and increasing of the contribution to mobility from scattering by acoustic phonons when temperature increases. Metallic conductivity in zero or weak magnetic field is changed to activated conductivity with increasing of magnetic field. This exhibits a metal-insulator transition (MIT) induced by the magnetic field due to shift of the Fermi level from the interval of extended states to that of the localized states of the electron spectrum near the edge of the conduction band. The Mott variablerange hopping conductivity is observed in the low- and high-field intervals on the insulating side of the MIT. The results yield information about the density of states, the localization radius of the resonant impurity band with completely localized states and about the donor band. In high magnetic fields this band is separated from the conduction band and lies below the resonant impurity bands.

Information and Communication Society's Impact on Global Paper Consumption

Tämän tutkielman tavoitteena on selvittää informaatio- ja kommunikaatioyhteiskunnan vaikutusta paperin kulutukseen maailmanlaajuisesti. Tarkoituksena on löytää informaatio- ja kommunikaatioyhteiskuntaa kuvaavia mittareita, joiden avulla voidaan vertailla kehittyneitä ja kehittyviä markkina-alueita keskenään. Tutkimusongelmaan haetaan ratkaisua tutkimalla sekä kirjallisuutta että tilastoja, ja vertaamalla niitä esitettyihin teorioihin informaatio- ja kommunikaatioyhteiskunnan kehityksestä. Tutkielman avulla pyritään arvioimaan ja kuvaamaantoimintaympäristön muutoksia paperin kulutuksen suhteen pitkällä aikavälillä informaatio- ja kommunikaatioyhteiskunnan näkökulmasta.

The effect of information and communication technology on global paper consumption

The objective of this thesis is to find out how information and communication technology affects the global consumption of printing and writing papers. Another objective is to find out, whether there are differences between paper grades in these effects. The empirical analysis is conducted by linear regression analysis using three sets of country-level panel data from 1990-2006. Data set of newsprint contains 95 countries, data set of uncoated woodfree paper 61 countries and data set of coated mechanical paper 42 countries. The material is based on paper consumption data of RISI’s Industry Statistics Database and on the information and communication technology data of GMID-database. Results indicate that number of Internet users has statistically significant negative effect on the consumption of newsprint and on the consumption of coated mechanical paper and number of mobile telephone users has positive effect on the consumptions of these papers. Results also indicate that information and communication technologies have only small effect on consumption of uncoated woodfree paper or no significant effect at all, but these results are more uncertain to some extent.

Moment Operators of Observables in Quantum Mechanics, with Applications to Quantization and Homodyne Detection

The questions studied in this thesis are centered around the moment operators of a quantum observable, the latter being represented by a normalized positive operator measure. The moment operators of an observable are physically relevant, in the sense that these operators give, as averages, the moments of the outcome statistics for the measurement of the observable. The main questions under consideration in this work arise from the fact that, unlike a projection valued observable of the von Neumann formulation, a general positive operator measure cannot be characterized by its first moment operator. The possibility of characterizing certain observables by also involving higher moment operators is investigated and utilized in three different cases: a characterization of projection valued measures among all the observables is given, a quantization scheme for unbounded classical variables using translation covariant phase space operator measures is presented, and, finally, a mathematically rigorous description is obtained for the measurements of rotated quadratures and phase space observables via the high amplitude limit in the balanced homodyne and eight-port homodyne detectors, respectively. In addition, the structure of the covariant phase space operator measures, which is essential for the above quantization, is analyzed in detail in the context of a (not necessarily unimodular) locally compact group as the phase space.

Core Competence of a Small or Medium Sized Content Providing Company Operating in the Information and Communication Technologies Secto

Tutkimuksen tavoitteena on tarkastella tekijöitä, joista ydinosaaminen muodostuu, sekä sitä kuinka yritykset voisivat parhaiten hyödyntää omia resurssejaan ja osaamistaan tunnistetun ydinosaamisen avulla. Teoria osuudessa käydään läpi kuinka ydinosaaminen on kirjallisuudessa määritelty ja miten yritykset voivat sen määritellä sisäisesti itselleen. Empiirisessä osiossa käydään läpi Telecom Business Research Centerissä tehdyn kvantitatiivisen selvityksen pohjalta valitut kolme sisällöntuottaja case - yritystä sekä kuvataan näiden osaamista. Tiedot yrityksistä perustuvat niiden edustajille tehtyihin haastatteluihin ja heidän käsitykseensä omasta yrityksestään. Tämä näkemys on tutkimuksen kannalta äärimmäisen relevanttia, koska ydinosaamisen määrittely tehdään yrityksessä sisäisesti juuri haastatellun kaltaisten yrityksen ydintoimijoiden toimesta. Varsinaisten case -yritysten lisäksi käydään läpi käytännön tapaus action-oriented -tutkimusosuudessa. Tutkimusta ja siinä käsiteltyjä esimerkkejä tulisi hyödyntää yrityksen oman ydinosaamisselvityksen apuna prosessin varrella.

Spectral Analysis of Buffers in Communication Systems

Muokatun matriisi-geometrian tekniikan kehitys yleimmäksi jonoksi on esitelty tässä työssä. Jonotus systeemi koostuu useista jonoista joilla on rajatut kapasiteetit. Tässä työssä on myös tutkittu PH-tyypin jakautumista kun ne jaetaan. Rakenne joka vastaa lopullista Markovin ketjua jossa on itsenäisiä matriiseja joilla on QBD rakenne. Myös eräitä rajallisia olotiloja on käsitelty tässä työssä. Sen esitteleminen matriisi-geometrisessä muodossa, muokkaamalla matriisi-geometristä ratkaisua on tämän opinnäytetyön tulos.

Data communication in paper sales environment

Tämä diplomityö kirjoitettiin UPM- Kymmene konsernin UPM Net Services sa/nv osastolle Brysselissä ja Helsingissä. Työn aihe, Data communication in paper sales environment, määriteltiin käsittelemään paperin myyntijärjestelmään liittyviä aiheita. Nykyinen paperin myyntijärjestelmä on käsitelty ensin teoriassa ja aiheeseen kuuluvat ohjelmistotuotteet ja työkaluohjelmistot on esitelty. Parannuksia nykyiseen järjestelmään on pohdittu ohjelmistosuunnittelun, tehokkuuden, tiedon hallinnan, tietoturvallisuuden ja liiketoiminnan näkökulmista. Diplomityön käytännön osuudessa esitellään kaksi ohjelmistoa. Nämä ohjelmistot tehtiin UPM Net Services'lle, jotta saatiin kokemuksia viestin välitykseen perustuvasta tiedon siirrosta. Diplomityön johtopäätösosuudessa todetaan, että paperin myyntijärjestelmän tiedon siirto toimii luotettavasti nykyisessä järjestelmässä. Tulevaisuuden tarpeet ja parannukset ovat kuitenkin vaikeasti toteutettavissa nykyään käytettävin välinein. Erityisesti internetin hyödyntäminen nähdään tärkeänä, mutta se on vaikeasti otettavissa käyttöön nykyisessä järjestelmässä. Viestin välitykseen perustuvat järjestelmät ovat osoittautuneet käytännössä toimiviksi ja tärkein kehitysehdotus onkin viestin välitysjärjestelmän käyttöönotto.

An Evaluation of the Paper Profile - a comparative assessment of the applicability of an emerging environmental communication tool in pulp and paper industry

Diplomityön tavoitteena oli arvioida uutta sellu-, paperi- ja kartonkiteollisuuden Paper Profile -ympäristötuoteselostetta. Paper Profilen tarkoituksena on tarjota paperiteollisuuden asiakkaille ja muille kiinnostuneilla sidosryhmille yhtenäistä ympäristöinformaatiota koskien paperituotteiden koostumusta ja tuotteiden tärkeimpiä ympäristöparametrejä. Työn tärkein tavoite oli arvioida kriittisesti Paper Profilea ja verrata konseptia ISO:n, Kansainvälisen stardardisoimisliiton tuoteselosteeseen sekä löytää konseptien yhtäläisyydet ja erot. Tärkein tehtävä oli tunnistaa ne avaintekijät, joiden avulla Paper Profile -tuoteselostetta voitaisiin pitää yhtenevänä ISO/TR 14025 teknisen raportin kanssa. Lisäksi Paper Profile -tuoteselosteen mahdolliset kehittämistarpeet arvioitiin ISO-tuoteselosteen näkökulmasta. Työn toinen tavoite oli kerätä ja analysoida uuteen tuoteselosteeseen liittyvä asiakaspalaute ja verrata sitä Stora Enson tehtaiden ympäristöpäälliköiden antamiin Paper Profilea koskeviin kommentteihin. Työn tuloksena huomattiin, että Paper Profile -konsepti sellaisenaan ei ole kovin informatiivinen vaan tuoteseloste jättää monia ympäristökysymyksiä avoimeksi. Siitä huolimatta Paper Profile tarjoaa riittävän taustan eri paperituotteiden ympäristökuormitusten keskinäiselle vertailuille. Konseptin viestinnällinen näkökulma paranisi huomattavasti, jos tuoteselosteeseen lisättäisiin kolmannen osapuolen verifiointi. Lisäksi referenssiarvot kertoisivat asiakkaille paremmin esitettyjen parametrien taustoista. Stora Enson tehtaiden ympäristöpäälliköiden, samoin kuin asiakkaidenkin mielestä Paper Profile on yleisesti ottaen potentiaalinen ympäristöviestinnän työkalu, mutta silti konseptiin ehdotettiin joitakin pieniä muutoksia. Avoinna olevat metsäsertifiointikysymykset ja niiden puutteellinen tiedottaminen tuoteselosteessa puhututtivat sekä tehtaiden henkilöstöä että yritysasiakkaita.

Matrix Analytic Analysis of Delays in Communication Systems

Tässä päättötyössä annetaan kuvaus kehitetystä sovelluksesta Quasi Birth Death processien ratkaisuun. Tämä ohjelma on tähän mennessä ainutlaatuinen ja sen avulla voi ratkaista sarjan tehtäviä ja sitä tarvitaan kommunikaatio systeemien analyysiin. Mainittuun sovellukseen on annettu kuvaus ja määritelmä. Lyhyt kuvaus toisesta sovelluksesta Quasi Birth Death prosessien tehtävien ratkaisuun on myös annettu

Net communication strategy planning and management

Tutkielman tavoitteena on selvittää kuinka suunnitella ja hallita tehokasta verkkoviestintää, joka vastaa kohdeyleisön ja palvelun ylläpitäjien kasvaviin vaatimuksiin. Tutkielma on normatiivinen tapaustutkimus, jonka tuloksena syntyy konstruktiivinen askelmalli kokonaisvaltaisen verkkoviestintäprojektin toteuttamiseen. Tutkimus esittää myös teoreettisesti merkittävän näkökulman verkkopalvelujen sisällön hallintaongelmien ratkaisemiseen. Tosielämän verkkoviestintäprojektin toteutusta seurataan TietoEnator Forestissa, jossa tutkielman kirjoittaja työskentelee. Tutkimusmateriaalina käytetään 11 TietoEnator Forestissa toteutettua haastattelua, TietoEnator konsernin dokumentaatiota ja osallistuvaa havainnointia. Haastattelulomake sisältää 13 avointa kysymystä, jotka käsittelevät verkkoviestintästrategian perusasioita. Tunnistetut verkkoviestinnän avainmenestystekijät ovat vahva sisäinen sitoutuminen hajautettuihin ylläpitorooleihin ja perinpohjainen asiakastarpeiden tunnistaminen. Teknisesti on tärkeää, että eritason verkkoympäristöt, Internet, Intranet ja Extranet, hallitaan samoilla sisällönhallinta työkaluilla. Näin pystytään rationalisoimaan ylläpitotoiminnot.

On Market Entry Strategies to France, Italy and Spain – The Finnish Information and Communication Technologies Sector

Tutkielman tavoitteena oli tarkastella markkinoillemenostrategian valitsemista Ranskan, Italian ja Espanjan Informaatio- ja kommunikaatioteknologioiden markkinoille (pääpainon ollessa Ranskassa). Tutkielman empiiristä osaa varten tehtiin sarja haastatteluja. Niistä saatuja tuloksia verrattiin kirjallisuudesta saatuihin tietoihin. Kirjallisuuden ja haastattelujen avulla pyrittiin tuomaan esille uutta tietoa joka voisi auttaa suomalaisyrityksiä heidän suunnitellessa markkinoillemenoa. Suomalaisten ICT-alan yritysten suurimmat ongelmat kohdemarkkinoille markkinoillemenoprosessissa johtuvat kulttuurieroista ja byrokratiasta. Markkinoillemenomuodon valinnassa haluttiinkin haastatteluissa painottaa paikallisten työntekijöiden ja kumppaneiden käyttöä. Lisäksi kaivattiin suomalaisyritysten välistä parempaa yhteistyötä.