Extreme Observables and Optimal Measurements in Quantum Theory

Optimization of quantum measurement processes has a pivotal role in carrying out better, more accurate or less disrupting, measurements and experiments on a quantum system. Especially, convex optimization, i.e., identifying the extreme points of the convex sets and subsets of quantum measuring devices plays an important part in quantum optimization since the typical figures of merit for measuring processes are affine functionals. In this thesis, we discuss results determining the extreme quantum devices and their relevance, e.g., in quantum-compatibility-related questions. Especially, we see that a compatible device pair where one device is extreme can be joined into a single apparatus essentially in a unique way. Moreover, we show that the question whether a pair of quantum observables can be measured jointly can often be formulated in a weaker form when some of the observables involved are extreme. Another major line of research treated in this thesis deals with convex analysis of special restricted quantum device sets, covariance structures or, in particular, generalized imprimitivity systems. Some results on the structure ofcovariant observables and instruments are listed as well as results identifying the extreme points of covariance structures in quantum theory. As a special case study, not published anywhere before, we study the structure of Euclidean-covariant localization observables for spin-0-particles. We also discuss the general form of Weyl-covariant phase-space instruments. Finally, certain optimality measures originating from convex geometry are introduced for quantum devices, namely, boundariness measuring how ‘close’ to the algebraic boundary of the device set a quantum apparatus is and the robustness of incompatibility quantifying the level of incompatibility for a quantum device pair by measuring the highest amount of noise the pair tolerates without becoming compatible. Boundariness is further associated to minimum-error discrimination of quantum devices, and robustness of incompatibility is shown to behave monotonically under certain compatibility-non-decreasing operations. Moreover, the value of robustness of incompatibility is given for a few special device pairs.

Structural and optical properties of InAs/GaAs quantum structures

The goal of the thesis was to study fundamental structural and optical properties of InAs islands and In(Ga)As quantum rings. The research was carried out at the Department of Micro and Nanosciences of Helsinki University of Technology. A good surface quality can be essential for the potential applications in optoelectronic devices. For such device applications it is usually necessary to control size, density and arrangement of the islands. In order to study the dependence of the structural properties of the islands and the quantum rings on growth conditions, atomic force microscope was used. Obtained results reveal that the size and the density of the In(Ga)As quantum rings strongly depend on the growth temperature, the annealing time and the thickness of the partial capping layer. From obtained results it is possible to conclude that to get round shape islands and high density one has to use growth temperature of 500 ̊C. In the case of formation of In(Ga)As quantum rings the effect of mobility anisotropy is observed that so the shape of the rings is not symmetric. To exclude this effect it is preferable to use a higher annealing temperature of 570 ̊C. Optical properties were characterized by PL spectroscopy. PL emission was observed from buried InAs quantum dots and In(Ga)As quantum rings grown with different annealing time and temperature and covered with a various thickness of the partial capping layer.

Magnetic and transport properties of InGaAs quantum wells with Mn

In the present work structural, magnetic and transport properties of InGaAs quantum wells (QW) prepared by MBE with an remote Mn layer are investigated. By means of high-resolution X-ray diffractometry the structure of the samples is analyzed. It is shown that Mn ions penetrate into the QW. Influence of the thickness of GaAs spacer and annealing at 286 ºС on the properties of the system is shown. It is shown that annealing of the samples led to Mn activation and narrowing of the Mn layer. Substantial role of 2D holes in ferromagnetic ordering in Mn layer is shown. Evidence for that is observation of maximum at 25 – 55 K on the resistivity temperature dependence. Position of maximum, which is used for quantitative assessment of the Curie temperature, correlates with calculations of the Curie temperature for structures with indirect interaction via 2D holes’ channel. Dependence of the Curie temperature on the spacer thickness shows, that creation of applicable spintronic devices needs high-precision equipment to manufacture extra fine structures. The magnetotransport measurements show that charge carrier mobility is very low. This leads to deficiency of the anomalous Hall effect. At the same time, magnetic field dependences of the magnetization at different temperatures demonstrate that systems are ferromagnetically ordered. These facts, most probably, give evidence of presence of the ferromagnetic MnAs clusters.

Non-Markovian Dynamics and the Quantum-To-Classical Transition for Quantum Brownian Motion

In this Thesis I discuss the dynamics of the quantum Brownian motion model in harmonic potential. This paradigmatic model has an exact solution, making it possible to consider also analytically the non-Markovian dynamics. The issues covered in this Thesis are themed around decoherence. First, I consider decoherence as the mediator of quantum-to-classical transition. I examine five different definitions for nonclassicality of quantum states, and show how each definition gives qualitatively different times for the onset of classicality. In particular I have found that all characterizations of nonclassicality, apart from one based on the interference term in the Wigner function, result in a finite, rather than asymptotic, time for the emergence of classicality. Second, I examine the diverse effects which coupling to a non-Markovian, structured reservoir, has on our system. By comparing different types of Ohmic reservoirs, I derive some general conclusions on the role of the reservoir spectrum in both the short-time and the thermalization dynamics. Finally, I apply these results to two schemes for decoherence control. Both of the methods are based on the non-Markovian properties of the dynamics.

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.

GTK+ toolkit on mobile Linux devices

Linux -käyttöjärjestelmä on laajasti käytössä palvelin- ja työpöytätietokoneissa. Linux on lisäämässä suosiotaan kuitenkin myös sulautetuissa laitteissa, kuten PDA:issa, kännyköissä sekä erilaisissateollisuusjärjestelmissä. Näytön koko, suorituskyky ja käytettävyys asettavat omia erityisiä tarpeitaan laitteiden graafiselle käyttöliittymälle. Linux -käyttöjärjestelmälle on olemassa useita käyttöliittymäkirjastoja, joista GTK+ on yksi yleisimmin käytetyistä. Tämä diplomityö esittelee sulautetun Linux -käyttöjärjestelmän ja GTK+ käyttöliittymäkirjaston, selvittäen miten hyvin ne soveltuvat mobiileihin päätelaitteisiin. Yksi suurimmista esteistä työpöytäkäyttöön suunnattujen teknologioiden, kuten GTK+, muokkaamisessa mobiileihin päätelaitteisiin on suorituskyky. Osana tätä työtä kehitettiin GtkPerf -niminen työkalu, jolla GTK+:n suorituskykyä eri alustoilla pystytään helposti mittaamaan ja havaitsemaan mahdollisia pullonkauloja. Tämän työn johtopäätöksenä on, että pienillä muokkailuilla ja optimoinneilla GTK+ soveltuu myös mobiileihin päätelaitteisiin. Ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva GTK+ -pohjainen päätelaite, Nokia 770 Internet Tablet, on tästä osoituksena.

Suitability of Ultra Wideband for Mobile Devices

Mobiililaitteet ovat kehittyneet merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana. Ne eivät enää ole pelkästään puhelimia tai kämmentietokoneita, vaan multimediatietokoneita, jotka pystyvät tuottamaan korkealaatuisia elämyksiä käyttäjälleen.Sisällön laadun paraneminen johtaa väistämättä myös siirrettävän tietomäärän kasvamiseen. Siksi uusia, nopeampia tiedonsiirtomenetelmiä on otettava käyttöön. Ultra Wideband (UWB) on uusi radioaaltotekniikka, jokamahdollistaa korkeat tiedonsiirtonopeudet lyhyillä etäisyyksillä. Tekniikka operoi erittäin leveällä 3.1 - 10.6 gigahertsin taajuuskaistalla.UWB on suunnattu nopeaan, langattomaan tiedonsiirtoon personal area networkin (PAN) laitteiden välillä. Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida UWBn soveltuvuutta mobiililaitteisiin. Arviointi tehdään teoreettiselta pohjalta, sillä UWBtä ei vielä ole implementoitu kaupallisiin laitteisiin. Ensin esitellään UWBn tekniikka ja ominaisuudet, jonka jälkeen sen soveltuvuutta arvioidaan esimerkkikäyttötapausten valossa. Esimerkkikäyttötapauksiksi on valittu kolme tyypillistä mutta erilaista toimintoa, jotka mahdollisimman hyvin kuvaavat mobiililaitteiden käyttöä.

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.

The synchronization of personal information between mobile devices and online services by using SyncML

Monet henkilökohtaiset mobiililaitteet tarjoavat mahdollisuuden tallentaa henkilötietoja ja mahdollisuuden lyhyen kantaman radiotekniikoiden hyödyntämiseen. Vastaavasti henkilötietoja käyttävien tai vaativien verkkopalveluiden määrä on kasvussa. Mobiililaitteisiin tallennetut henkilötiedot tarjoavat potentiaalisen keinon välttää samojen henkilötietojen toistuva käsinsyöttö erilaisiin verkkopalveluihin ja keskitettyyn ajantasallapitoon. Tässä työssä käydään läpi ratkaisumalli henkilökohtaisen mobiililaitteen ja verkkopalveluiden välillä tapahtuvaan henkilötietojen siirtoon ja synkronointiin. Malli pohjautuu selainlaajennukseen, joka voi pyytää sekä selaimessa auki olevalta verkkopalvelun sivulta että mobiililta päätelaitteelta senhetkiset henkilötiedot ja synkronoida ne. Jo olemassaolevia henkilötietojen hallintaa helpottavia ratkaisuja käydään läpi arvioiden käyttökelpoisuutta tämänkaltaisiin tarpeisiin. Ratkaisumallin kannalta olennaiset tekniikat ja standardit, erityisesti Bluetooth ja SyncML, esitellään. Ratkaisumallin arkkitehtuuri käydään korkealla tasolla läpi ja esitellään toteutuksen yksityiskohtia. Tuloksena on periaatteeltaan kelvollinen henkilökohtaisten tietojen synkronointijärjestelmä, jonka toteutusta nykyisten mobiilien päätelaitteiden toiminnallisuus jossain määrin hankaloittaa.

Adaptive Protocol Stacks for Mobile Devices

Tulevaisuudessa siirrettävät laitteet, kuten matkapuhelimet ja kämmenmikrot, pystyvät muodostamaan verkkoyhteyden käyttäen erilaisia yhteysmenetelmiä eri tilanteissa. Yhteysmenetelmillä on toisistaan poikkeavat viestintäominaisuudet mm. latenssin, kaistanleveyden, virhemäärän yms. suhteen. Langattomille yhteysmenetelmille on myös ominaista tietoliikenneyhteyden ominaisuuksien voimakas muuttuminen ympäristön suhteen. Parhaan suorituskyvyn ja käytettävyyden saavuttamiseksi, on siirrettävän laitteen pystyttävä mukautumaan käytettyyn viestintämenetelmään ja viestintäympäristössä tapahtuviin muutoksiin. Olennainen osa tietoliikenteessä ovat protokollapinot, jotka mahdollistavat tietoliikenneyhteyden järjestelmien välillä tarjoten verkkopalveluita päätelaitteen käyttäjäsovelluksille. Jotta protokollapinot pystyisivät mukautumaan tietyn viestintäympäristön ominaisuuksiin, on protokollapinon käyttäytymistä pystyttävä muuttamaan ajonaikaisesti. Perinteisesti protokollapinot ovat kuitenkin rakennettu muuttumattomiksi niin, että mukautuminen tässä laajuudessa on erittäin vaikeaa toteuttaa, ellei jopa mahdotonta. Tämä diplomityö käsittelee mukautuvien protokollapinojen rakentamista käyttäen komponenttipohjaista ohjelmistokehystä joka mahdollistaa protokollapinojen ajonaikaisen muuttamisen. Toteuttamalla esimerkkijärjestelmän, ja mittaamalla sen suorituskykyä vaihtelevassa tietoliikenneympäristössä, osoitamme, että mukautuvat protokollapinot ovat mahdollisia rakentaa ja ne tarjoavat merkittäviä etuja erityisesti tulevaisuuden siirrettävissä laitteissa.

Context-based services for mobile devices

The subject of this master’s thesis was developing a context-based reminder service for mobile devices. Possible sources of context were identified and analyzed. One such source is geographical location obtained via a GPS receiver. These receivers consume a lot of power and techniques and algorithms for reducing power consumptions were proposed and analyzed. The service was implemented as an application on a series 60 mobile phone. The application requirements, user interface and architecture are presented. The end-user experiences are discussed and possible future development and research areas are presented.

Presenting HTML Content Using Mobile Devices

Tämä diplomityö käsittelee HTML-sivujen näyttämistä käytettävästi mobiililla päätelaitteella. Tutkimuskohteena on sivujen käytettävyyden parantaminen mobiilissa internetselaimessa. Diplomityössä esitetään havaittuja käytettävyysongelmia ja pohditaan ratkaisuja näihin selaimessa. Teoriataustaa tarkastellaan useista käytettävyyden näkökulmista, käyttäen apuna tutkimuksia ja teorioita. Tutkimuksiin ja teorioihin perustuen suunnitellaan selaimessa tapahtuvat muutokset, jotka mahdollistaisivat sivujen hyvän käytettävyyden. Tutkimusainestoa kerättiin aikaisimmista käytettävyystutkimuksista, suosituksista sekä tieteellisistä analyyseistä. Tarkastelun kohteena olivat myös nykyisten mobiilien internetselainten käyttämät ratkaisut havaittuihin käytettävyysongelmiin. Työn tuloksena esitetään mobiiliin selaimeen toteutettavat sääntöjoukot, jotka muovaisivat HTML-sivut käytettäväksi päätelaitteelle. Ratkaisuna annetaan ehdotuksia sisällön esittämistavalle ja pohditaan näissä syntyneitä ongelmia. Tulevaisuudessa kun sääntöjoukko on toteutettu selaimeen sillä suoritetaan käytettävyystestaukset.

Positioning Wireless Mobile Terminal Devices

Positioning techniques enable the positioning of mobile transportation vehicles. Location information can be used in transport planning as well as in vehicles. Information can also be transferred between vehicles and transport planning. For example, pickup and delivery information and route instructions can be exchanged wirelessly. In this thesis, techniques suitable for positioning vehicles are studied, as well as techniques enabling wireless connectivity of the vehicles to the transport planning system. A prototype based on one positioning and connectivity technique is implemented. As a result, a system capable of positioning vehicles is created. The vehicles can be located almost in real-time. The accuracy in positioning is sufficient to visualise the locations on a good quality 1:20000 city map.