Efficient Characterisation and Optimal Control of Open Quantum Systems - Mathematical Foundations and Physical Applications

Since no physical system can ever be completely isolated from its environment, the study of open quantum systems is pivotal to reliably and accurately control complex quantum systems. In practice, reliability of the control field needs to be confirmed via certification of the target evolution while accuracy requires the derivation of high-fidelity control schemes in the presence of decoherence. In the first part of this thesis an algebraic framework is presented that allows to determine the minimal requirements on the unique characterisation of arbitrary unitary gates in open quantum systems, independent on the particular physical implementation of the employed quantum device. To this end, a set of theorems is devised that can be used to assess whether a given set of input states on a quantum channel is sufficient to judge whether a desired unitary gate is realised. This allows to determine the minimal input for such a task, which proves to be, quite remarkably, independent of system size. These results allow to elucidate the fundamental limits regarding certification and tomography of open quantum systems. The combination of these insights with state-of-the-art Monte Carlo process certification techniques permits a significant improvement of the scaling when certifying arbitrary unitary gates. This improvement is not only restricted to quantum information devices where the basic information carrier is the qubit but it also extends to systems where the fundamental informational entities can be of arbitary dimensionality, the so-called qudits. The second part of this thesis concerns the impact of these findings from the point of view of Optimal Control Theory (OCT). OCT for quantum systems utilises concepts from engineering such as feedback and optimisation to engineer constructive and destructive interferences in order to steer a physical process in a desired direction. It turns out that the aforementioned mathematical findings allow to deduce novel optimisation functionals that significantly reduce not only the required memory for numerical control algorithms but also the total CPU time required to obtain a certain fidelity for the optimised process. The thesis concludes by discussing two problems of fundamental interest in quantum information processing from the point of view of optimal control - the preparation of pure states and the implementation of unitary gates in open quantum systems. For both cases specific physical examples are considered: for the former the vibrational cooling of molecules via optical pumping and for the latter a superconducting phase qudit implementation. In particular, it is illustrated how features of the environment can be exploited to reach the desired targets.

Konzeption eines generischen Vorgehensmodells zur strategieorientierten und partizipativen Einführung komplexer Softwaresysteme unter Berücksichtigung organisatorischer Gestaltungsprozesse

Die Dissertation befasst sich mit der Einführung komplexer Softwaresysteme, die, bestehend aus einer Kombination aus parametrisierter Standardsoftware gepaart mit Wettbewerbsvorteil sichernden Individualsoftwarekomponenten, keine Software-Engineering-Projekte im klassischen Sinn mehr darstellen, sondern einer strategieorientierten Gestaltung von Geschäftsprozessen und deren Implementierung in Softwaresystemen bedürfen. Die Problemstellung einer adäquaten Abwägung zwischen TCO-optimierender Einführung und einer gleichzeitigen vollständigen Unterstützung der kritischen Erfolgsfaktoren des Unternehmens ist hierbei von besonderer Bedeutung. Der Einsatz integrierter betriebswirtschaftlicher Standardsoftware, mit den Möglichkeiten einer TCO-Senkung, jedoch ebenfalls der Gefahr eines Verlustes von Alleinstellungsmerkmalen am Markt durch Vereinheitlichungstendenzen, stellt ein in Einführungsprojekten wesentliches zu lösendes Problem dar, um Suboptima zu vermeiden. Die Verwendung von Vorgehensmodellen, die sich oftmals an klassischen Softwareentwicklungsprojekten orientieren oder vereinfachte Phasenmodelle für das Projektmanagement darstellen, bedingt eine fehlende Situationsadäquanz in den Detailsituationen der Teilprojekte eines komplexen Einführungsprojektes. Das in dieser Arbeit entwickelte generische Vorgehensmodell zur strategieorientierten und partizipativen Einführung komplexer Softwaresysteme im betriebswirtschaftlichen Anwendungsbereich macht - aufgrund der besonders herausgearbeiteten Ansätze zu einer strategieorientierten Einführung, respektive Entwicklung derartiger Systeme sowie aufgrund der situationsadäquaten Vorgehensstrategien im Rahmen der Teilprojektorganisation � ein Softwareeinführungsprojekt zu einem Wettbewerbsfaktor stärkenden, strategischen Element im Unternehmen. Die in der Dissertation diskutierten Überlegungen lassen eine Vorgehensweise präferieren, die eine enge Verschmelzung des Projektes zur Organisationsoptimierung mit dem Softwareimplementierungsprozess impliziert. Eine Priorisierung der Geschäftsprozesse mit dem Ziel, zum einen bei Prozessen mit hoher wettbewerbsseitiger Priorität ein organisatorisches Suboptimum zu vermeiden und zum anderen trotzdem den organisatorischen Gestaltungs- und den Systemimplementierungsprozess schnell und ressourcenschonend durchzuführen, ist ein wesentliches Ergebnis der Ausarbeitungen. Zusätzlich führt die Ausgrenzung weiterer Prozesse vom Einführungsvorgang zunächst zu einem Produktivsystem, welches das Unternehmen in den wesentlichen Punkten abdeckt, das aber ebenso in späteren Projektschritten zu einem System erweitert werden kann, welches eine umfassende Funktionalität besitzt. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten, strategischen Anforderungen an ein modernes Informationssystem, das die kritischen Erfolgsfaktoren eines Unternehmens konsequent unterstützen muss, gerecht zu werden und gleichzeitig ein so weit als möglich ressourcenschonendes, weil die Kostenreduktionsaspekte einer Standardlösung nutzend, Projekt durchzuführen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die situationsadäquate Modellinstanziierung, also die projektspezifische Anpassung des Vorgehensmodells sowie die situationsadäquate Wahl der Vorgehensweisen in Teilprojekten und dadurch Nutzung der Vorteile der verschiedenen Vorgehensstrategien beim konkreten Projektmanagement. Der Notwendigkeit der Entwicklung einer Projektorganisation für prototypingorientiertes Vorgehen wird in diesem Zusammenhang ebenfalls Rechnung getragen. Die Notwendigkeit der Unternehmen, sich einerseits mit starken Differenzierungspotenzialen am Markt hervorzuheben und andererseits bei ständig sinkenden Margen einer Kostenoptimierung nachzukommen, lässt auch in Zukunft das entwickelte Modell als erfolgreich erscheinen. Hinzu kommt die Tendenz zu Best-Of-Breed-Ansätzen und komponentenbasierten Systemen im Rahmen der Softwareauswahl, die eine ausgesprochen differenzierte Vorgehensweise in Projekten verstärkt notwendig machen wird. Durch die in das entwickelte Modell integrierten Prototyping-Ansätze wird der auch in Zukunft an Bedeutung gewinnenden Notwendigkeit der Anwenderintegration Rechnung getragen.

Ein Beitrag zur Modellierung und Simulation von elektromechanischen Systemen

Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß es möglich ist, komplexe thermische Systeme, unter Verwendung der thermisch-, elektrischen Analogien, mit PSpice zu simulieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen hierbei Strangkühlkörper zur Kühlung von elektronischen Bauelementen. Es konnte gezeigt werden,daß alle Wärmeübertragungsarten, (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung) in der Simulation berücksichtigt werden können. Für die Berechnung der Konvektion wurden verschiedene Methoden hergeleitet. Diese gelten zum einen für verschiedene Kühlkörpergeometrien, wie z.B. ebene Flächen und Kühlrippenzwischenräume, andererseits unterscheiden sie sich, je nachdem, ob freie oder erzwungene Konvektion betrachtet wird. Für die Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen wurden verschiedenen Berechnungsmethoden entwickelt. Für die Simulation mit PSpice wurde die Berechnung der Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen vereinfacht. Es konnte gezeigt werden, daß die Fehler, die durch die Vereinfachung entstehen, vernachlässigbar klein sind. Für das thermische Verhalten einer zu kühlenden Wärmequelle wurde ein allgemeines Modell entworfen. Zur Bestimmung der Modellparameter wurden verschiedene Meßverfahren entwickelt. Für eine im Fachgebiet Elektromechanik entwickelte Wärmequelle zum Test von Kühlvorrichtungen wurde mit Hilfe dieser Meßverfahren eine Parameterbestimmung durchgeführt. Die Erstellung des thermischen Modells eines Kühlkörpers für die Simulation in PSpice erfordert die Analyse der Kühlkörpergeometrie. Damit diese Analyse weitestgehend automatisiert werden kann, wurden verschiedene Algorithmen unter Matlab entwickelt. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, den Kühlkörper in Elementarzellen zu zerlegen, die für die Erstellung des Simulationsmodells benötigt werden. Desweiteren ist es für die Simulation notwendig zu wissen, welche der Elementarzellen am Rand des Kühlkörpers liegen, welche der Elementarzellen an einem Kühlrippenzwischenraum liegen und welche Kühlkörperkanten schräg verlaufen. Auch zur Lösung dieser Aufgaben wurden verschiedene Algorithmen entwickelt. Diese Algorithmen wurden zu einem Programm zusammengefaßt, das es gestattet, unterschiedliche Strangkühlkörper zu simulieren und die Simulationsergebnisse in Form der Temperaturverteilung auf der Montagefläche des Kühlkörpers grafisch darzustellen. Es können stationäre und transiente Simulationen durchgeführt werden. Desweiteren kann der thermische Widerstand des Kühlkörpers RthK als Funktion der Verlustleistung der Wärmequelle dargestellt werden. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurden Temperaturmessungen an Kühlkörpern durchgeführt und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Diese Vergleiche zeigen, daß die Abweichungen im Bereich der Streuung der Temperaturmessung liegen. Das hier entwickelte Verfahren zur thermischen Simulation von Strangkühlkörpern kann somit als gut bewertet werden.

Offline Emergence Engineering For Agent Societies

Many examples for emergent behaviors may be observed in self-organizing physical and biological systems which prove to be robust, stable, and adaptable. Such behaviors are often based on very simple mechanisms and rules, but artificially creating them is a challenging task which does not comply with traditional software engineering. In this article, we propose a hybrid approach by combining strategies from Genetic Programming and agent software engineering, and demonstrate that this approach effectively yields an emergent design for given problems.

Numerical Feasibility Study for Treated Wastewater Recharge as a Tool to Impede Saltwater Intrusion in the Coastal Aquifer of Gaza – Palestine

The ongoing depletion of the coastal aquifer in the Gaza strip due to groundwater overexploitation has led to the process of seawater intrusion, which is continually becoming a serious problem in Gaza, as the seawater has further invaded into many sections along the coastal shoreline. As a first step to get a hold on the problem, the artificial neural network (ANN)-model has been applied as a new approach and an attractive tool to study and predict groundwater levels without applying physically based hydrologic parameters, and also for the purpose to improve the understanding of complex groundwater systems and which is able to show the effects of hydrologic, meteorological and anthropogenic impacts on the groundwater conditions. Prediction of the future behaviour of the seawater intrusion process in the Gaza aquifer is thus of crucial importance to safeguard the already scarce groundwater resources in the region. In this study the coupled three-dimensional groundwater flow and density-dependent solute transport model SEAWAT, as implemented in Visual MODFLOW, is applied to the Gaza coastal aquifer system to simulate the location and the dynamics of the saltwater–freshwater interface in the aquifer in the time period 2000-2010. A very good agreement between simulated and observed TDS salinities with a correlation coefficient of 0.902 and 0.883 for both steady-state and transient calibration is obtained. After successful calibration of the solute transport model, simulation of future management scenarios for the Gaza aquifer have been carried out, in order to get a more comprehensive view of the effects of the artificial recharge planned in the Gaza strip for some time on forestall, or even to remedy, the presently existing adverse aquifer conditions, namely, low groundwater heads and high salinity by the end of the target simulation period, year 2040. To that avail, numerous management scenarios schemes are examined to maintain the ground water system and to control the salinity distributions within the target period 2011-2040. In the first, pessimistic scenario, it is assumed that pumping from the aquifer continues to increase in the near future to meet the rising water demand, and that there is not further recharge to the aquifer than what is provided by natural precipitation. The second, optimistic scenario assumes that treated surficial wastewater can be used as a source of additional artificial recharge to the aquifer which, in principle, should not only lead to an increased sustainable yield of the latter, but could, in the best of all cases, revert even some of the adverse present-day conditions in the aquifer, i.e., seawater intrusion. This scenario has been done with three different cases which differ by the locations and the extensions of the injection-fields for the treated wastewater. The results obtained with the first (do-nothing) scenario indicate that there will be ongoing negative impacts on the aquifer, such as a higher propensity for strong seawater intrusion into the Gaza aquifer. This scenario illustrates that, compared with 2010 situation of the baseline model, at the end of simulation period, year 2040, the amount of saltwater intrusion into the coastal aquifer will be increased by about 35 %, whereas the salinity will be increased by 34 %. In contrast, all three cases of the second (artificial recharge) scenario group can partly revert the present seawater intrusion. From the water budget point of view, compared with the first (do nothing) scenario, for year 2040, the water added to the aquifer by artificial recharge will reduces the amount of water entering the aquifer by seawater intrusion by 81, 77and 72 %, for the three recharge cases, respectively. Meanwhile, the salinity in the Gaza aquifer will be decreased by 15, 32 and 26% for the three cases, respectively.