Quantum biology. Simulazioni di trasferimento di energia in una struttura dimerica

La quantum biology (QB) è un campo di ricerca emergente che cerca di affronta- re fenomeni quantistici non triviali all’interno dei contesti biologici dotandosi di dati sperimentali di esplorazioni teoriche e tecniche numeriche. I sistemi biologici sono per definizione sistemi aperti, caldi,umidi e rumorosi, e queste condizioni sono per loro imprenscindibili; si pensa sia un sistema soggetto ad una veloce decoerenza che sopprime ogni dinamica quantistica controllata. La QB, tramite i principi di noise assisted transport e di antenna fononica sostiene che la presenza di un adeguato livello di rumore ambientale aumenti l’efficienza di un network di trasporto,inoltre se all’interno dello spettro ambientale vi sono specifici modi vibrazionali persistenti si hanno effetti di risonanza che rigenerano la coerenza quantistica. L’interazione ambiente-sistema è di tipo non Markoviano,non perturbativo e di forte non equi- librio, ed il rumore non è trattato come tradizionale rumore bianco. La tecnica numerica che per prima ha predetto la rigenerazione della coerenza all’interno di questi network proteici è stato il TEBD, Time Evolving Block Decimation, uno schema numerico che permette di simulare sistemi 1-D a molti corpi, caratterizzati da interazioni di primi vicini e leggermente entangled. Tramite gli algoritmi numerici di Orthopol l’hamiltoniana spin-bosone viene proiettata su una catena discreta 1-D, tenendo conto degli effetti di interazione ambiente-sistema contenuti nello spettro(il quale determina la dinamica del sistema).Infine si esegue l’evoluzione dello stato.

Inflazione cosmica e onde gravitazionali primordiali

La teoria dell'inflazione risolve alcuni problemi fondamentali posti dalla teoria standard dell'origine dell'universo, in particolare chiarisce perché l'universo è piatto e omogeneo quando secondo la cosmologia standard non lo dovrebbe essere (o meglio: lo potrebbe essere solo con probabilità molto bassa). Inoltre la teoria dell'inflazione spiega l'origine delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo e in tal modo l'inflazione è responsabile anche dell'origine della struttura a grande scala dell'universo. La teoria inflazionaria presenta la possibilità di una conferma sperimentale. Alcune sue predizioni sono già state verificate e una forte prova era sembrata venire dall'esperimento BICEP2, ma per ora (novembre 2014) non c'è stata una conferma. Nello specifico, l'esperimento BICEP2 aveva dichiarato a marzo 2014 di aver rilevato nella radiazione cosmica di fondo il segnale di onde gravitazionali che potevano essere state provocate soltanto dall'inflazione. La presente tesi descrive gli aspetti classici (non quantistici) della teoria dell'inflazione, riporta i risultati relativi alla trattazione quantistica delle perturbazioni della radiazione cosmica di fondo e illustra la questione delle verifiche sperimentali della teoria dell'inflazione, dedicando particolare rilievo al recente esperimento BICEP2.

Circuiti per il miglioramento della qualità di sorgenti dc

Tutti gli apparati elettronici richiedono un'alimentazione in tensione continua. Qualunque sia la fonte di energia elettrica, una batteria (in DC) o la rete di distribuzione (in AC), l’alimentatore ha il compito di regolare la tensione continua di uscita per consentire il corretto funzionamento del dispositivo alimentato. La stabilizzazione della tensione DC in uscita deve avvenire nonostante la presenza di ripple e di disturbi sulla alimentazione primaria, di ampie variazioni sulle correnti assorbite dal carico, di ampie escursioni di temperatura e deve essere garantita nel tempo, anche a fronte di sostituzione di alcuni componenti del circuito. In questa tesi si prenderanno in considerazione i regolatori lineari. Sebbene si tratti di circuiti che operano in condizioni di linearità e quindi, quasi per definizione, poco efficienti, in realtà il loro impiego diventa quasi obbligatorio per applicazioni in cui è richiesta una tensione di alimentazione poco rumorosa. Se utilizzati a valle di un alimentatore switching possono aumentare notevolmente la qualità della tensione di uscita operando con livelli di efficienza e di dissipazione del tutto accettabili e con minimo aumento di costo del sistema. Gli alimentatori lineari non sono dunque “superati” dai più recenti alimentatori switching ma sono, piuttosto, “alternativi” e, in molti alimentatori moderni, di complemento. Per questo motivo, anche di recente, sono stati sviluppati e trovano importanti quote di mercato innovative architetture di regolatori lineari dalle prestazioni molto migliorate e vi sono circuiti come il regolatore di John Linsley Hood che non possono non suscitare il più vivo interesse della comunità audiofila

Bouncing black holes in loop quantum gravity

In questo lavoro viene presentato un recente modello di buco nero che implementa le proprietà quantistiche di quelle regioni dello spaziotempo dove non possono essere ignorate, pena l'implicazione di paradossi concettuali e fenomenologici. In suddetto modello, la regione di spaziotempo dominata da comportamenti quantistici si estende oltre l'orizzonte del buco nero e suscita un'inversione, o più precisamente un effetto tunnel, della traiettoria di collasso della stella in una traiettoria di espansione simmetrica nel tempo. L'inversione impiega un tempo molto lungo per chi assiste al fenomeno a grandi distanze, ma inferiore al tempo di evaporazione del buco nero tramite radiazione di Hawking, trascurata e considerata come un effetto dissipativo da studiarsi in un secondo tempo. Il resto dello spaziotempo, fuori dalla regione quantistica, soddisfa le equazioni di Einstein. Successivamente viene presentata la teoria della Gravità Quantistica a Loop (LQG) che permetterebbe di studiare la dinamica della regione quantistica senza far riferimento a una metrica classica, ma facendo leva sul contenuto relazionale del tessuto spaziotemporale. Il campo gravitazionale viene riformulato in termini di variabili hamiltoniane in uno spazio delle fasi vincolato e con simmetria di gauge, successivamente promosse a operatori su uno spazio di Hilbert legato a una vantaggiosa discretizzazione dello spaziotempo. La teoria permette la definizione di un'ampiezza di transizione fra stati quantistici di geometria spaziotemporale, applicabile allo studio della regione quantistica nel modello di buco nero proposto. Infine vengono poste le basi per un calcolo in LQG dell'ampiezza di transizione del fenomeno di rimbalzo quantistico all'interno del buco nero, e di conseguenza per un calcolo quantistico del tempo di rimbalzo nel riferimento di osservatori statici a grande distanza da esso, utile per trattare a posteriori un modello che tenga conto della radiazione di Hawking e, auspicatamente, fornisca una possibile risoluzione dei problemi legati alla sua esistenza.

Misure deboli in meccanica quantistica

Il seguente elaborato si prefigge di esporre in modo chiaro la teoria delle misure deboli in meccanica quantistica. Tale teoria ha aperto nuovi scenari all'interno dell'interpretazione fisica del mondo quantistico e allo stesso tempo ha fornito alla fisica sperimentale una nuova tecnica per esplorare i fenomeni microscopici. Il progetto si divide in tre capitoli; nel primo capitolo vengono esposti i concetti chiave della teoria della misura in meccanica quantistica utili all'introduzione del secondo capitolo, ove viene trattata la teoria delle misure deboli. Infine nell'ultimo capitolo viene esposta la parte applicativa e in particolare viene discusso un esperimento della doppia fenditura, svoltosi all'università di Toronto con l'utilizzo delle misure deboli.

Simulazione di sistemi quantistici, approccio numerico e sperimentale nel caso della localizzazione di Anderson

In questo lavoro viene presentato l'utilizzo di simulatori quantistici nello studio di sistemi a molte componenti. Dall'idea iniziale di Feynman della intersimulazione tra sistemi quantistici in questi anni si è sempre più sviluppata la tecnica sperimentale necessaria a creare sistemi di atomi in reticoli ottici ben controllati, nei quali riprodurre il comportamento di sistemi di natura diversa, ottenendo risultati promettenti nell'indagine di situazioni non trattabili analiticamente o numericamente. Tra questi, la conduzione di elettroni in materiali disordinati è ancora un problema aperto. In questa tesi nello specifico sono trattati i modelli di Anderson e di André-Aubry, i quali prevedono una transizione da stati estesi a localizzati in presenza di disordine nel materiale. I due modelli sono stati investigati numericamente su reticoli monodimensionali e i risultati confrontati con una realizzazione sperimentale realizzata con atomi freddi.

Studio e analisi di circuiti di energy harvesting a switch sincronizzato per trasduttori piezoelettrici

In questa tesi sono stati simulati i modelli circuitali relativi alle tecniche di estrazione SECE, Q-SECE e SSHI. Sono state graficate e analizzate le caratteristiche di trasferimento di potenza. Tramite simulazioni LTspice, è stata calcolata l'energia estratta con tecnica SECE e Q-SECE ed è stato ricavato un miglioramento delle prestazioni di energia di +30% con la tecnica Q-SECE. Un'analisi simile è stata fatta per il calcolo dell'energia in uscita anche per il modello SSHI-parallel.

Una nuova strategia per la misurazione della distribuzione di CO2 in stratosfera

Nella regione del TIR, le transizioni spettrali vibro-rotazionali della CO2 sono sfruttate per ricavare la distribuzione di P e T negli esperimenti spaziali. Oltre all’importanza di questi due parametri, la loro conoscenza è necessaria per ricavare la distribuzione di qualsiasi molecola dalle sue transizioni spettrali. Per ricavare P e T si assume di conoscere il VMR della CO2. L’accuratezza con cui si ricava la distribuzione della CO2 insieme a quelle di P e T non è sufficiente. Inoltre, il VMR della CO2 aumenta nel corso degli anni. Per questo, in questa tesi si propone una nuova strategia per misurare la CO2 usando uno strumento satellitare a scansione del lembo. L’idea è quella di sfruttare le transizioni rotazionali pure dell’O2 nella regione del FIR per ricavare P e T. Poiché queste transizioni traggono origine da un momento di dipolo magnetico la loro forza di riga è molto bassa. Tuttavia, grazie alla grande abbondanza dell’O2 in atmosfera e alla lunghezza dei cammini ottici, queste transizioni sono tra le più intense nello spettro atmosferico del FIR. Il satellite considerato è posto su un’orbita quasi polare e lo strumento osserva l’emissione del lembo atmosferico in direzione opposta a quella di volo. Lo strumento ipotizzato è uno spettrometro a trasformata di Fourier con due porte di output ospitanti un detector per la regione del FIR e uno per quella del TIR. La risoluzione spettrale è di 0.004 cm-1. Mentre il NESR è di 5 nW. Il campionamento geometrico verticale dell’atmosfera è di 3 Km mentre quello orizzontale è di circa 100 Km. Usando la teoria dell’optimal estimation sono stati selezionati due set di intervalli spettrali da analizzare, uno per la regione del FIR e l’altro per la regione del TIR. Con queste ipotesi sono stati effettuati test di retrieval su osservati simulati per valutare le performance del sistema ipotizzato. Si è dimostrato che le transizioni della CO2 nella regione del TIR non sono sufficienti per ricavare P e T insieme al proprio VMR con precisione soddisfacente e che l’uso dell’informazione derivante dal FIR fa aumentare la qualità del retrieval. Le performance dell’esperimento permettono di ricavare il VMR della CO2 con una precisione di circa 1 ppm tra 10 Km e 60 Km con una risoluzione verticale di 3 Km e una orizzontale di circa 2.5° di latitudine. Si è quindi dimostrato la validità della strategia proposta in questo studio.

Dynamical evolution of quantum states: a geometrical approach.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel recente filone di ricerca che ha lo scopo di studiare le strutture della Meccanica quantistica facendo impiego della geometria differenziale. In particolare, lo scopo della tesi è analizzare la geometria dello spazio degli stati quantistici puri e misti. Dopo aver riportato i risultati noti relativi a questo argomento, vengono calcolati esplicitamente il tensore metrico e la forma simplettica come parte reale e parte immaginaria del tensore di Fisher per le matrici densità 2×2 e 3×3. Quest’ultimo altro non é che la generalizzazione di uno strumento molto usato in Teoria dell’Informazione: l’Informazione di Fisher. Dal tensore di Fisher si può ottenere un tensore metrico non solo sulle orbite generate dall'azione del gruppo unitario ma anche su percorsi generati da trasformazioni non unitarie. Questo fatto apre la strada allo studio di tutti i percorsi possibili all'interno dello spazio delle matrici densità, che in questa tesi viene esplicitato per le matrici 2×2 e affrontato utilizzando il formalismo degli operatori di Kraus. Proprio grazie a questo formalismo viene introdotto il concetto di semi-gruppo dinamico che riflette la non invertibilità di evoluzioni non unitarie causate dall'interazione tra il sistema sotto esame e l’ambiente. Viene infine presentato uno schema per intraprendere la stessa analisi sulle matrici densità 3×3, e messe in evidenza le differenze con il caso 2×2.

Valutazioni energetiche per circuiti di energy harvesting da linee elettriche

viene stimata la fattibilità di sistemi di energy harvesting dedicati alle linee elettriche con particolare riferimento a modelli capacitivi e vengono analizzati energeticamente due soluzioni circuitali per alimentare un carico.

Misurazione della Sostenibilità in Azienda. Approccio Quantitativo all'Analisi della Letteratura attraverso Bibliografic Coupling.

L'elaborato si impegna ad esporre i risultati derivanti da una revisione estensiva della letteratura riguardante le pratiche di misurazione della sostenibilità in azienda. Si è scelto un approccio al problema di impostazione bibliometrico, consistente in analisi statistiche di dati bibliografici ricavabili osservando le relazioni tra documenti. Si sono utilizzati strumenti di clustering per categorizzare la letteratura ed individuare le aree di maggior interesse potenziali per aziende che desiderino investire con successo nella sostenibilità. Come risultato, si è ottenuta una chiara identificazione delle principali tematiche che devono essere tenute in considerazione nell’affrontare valutazioni relative alla misurazione e valorizzazione dei concetti di sostenibilità e impatto ambientale in ambito aziendale. Il presente lavoro si presenta inoltre come guida metodologica per un approccio quantitativo alla revisione della letteratura, adattabile ed applicabile in maniera iterativa per un continuo monitoraggio del tema o per indagini in altri ambiti. Questa tesi si pone dunque come base per ricerche e analisi successive finalizzate alla comprensione della letteratura.

Definizione e validazione di uno strumento per la misurazione dell'impatto delle variabili redazionali di un item matematico sulla performance degli studenti

Questa tesi descrive la ricerca condotta tra l'autunno e l'inverno di quest'anno da un gruppo di ricercatori in didattica della matematica relativamente all'influenza che le variazioni redazionali di un quesito matematico hanno sulle performance degli studenti. Lo scopo della ricerca è quella di strutturare e validare una metodologia e uno strumento che permettano di individuare e quantificare l'influenza delle variazioni del testo sulle prestazioni dello studente. Si è sentita l'esigenza di condurre uno studio di questo tipo poichè è sempre più evidente il profondo legame tra il linguaggio e l'apprendimento della matematica. La messa a punto di questo strumento aprirebbe le porte a una serie di ricerche più approfondite sulle varie tipologie di variazioni numeriche e/o linguistiche finora individuate. Nel primo capitolo è presentato il quadro teorico di riferimento relativo agli studi condotti fino ad ora nell'ambito della didattica della matematica, dai quali emerge la grossa influenza che la componente linguistica ha sulla comprensione e la trasmissione della matematica. Si farà quindi riferimento alle ricerche passate volte all'individuazione e alla schematizzazione delle variazioni redazionali dei Word Problems. Nel secondo capitolo, invece si passerà alla descrizione teorica relativa allo strumento statistico utilizzato. Si tratta del modello di Rasch appartenente alla famiglia dei modelli statistici dell'Item Response Theory, particolarmente utilizzato nella ricerca in didattica. Il terzo capitolo sarà dedicato alla descrizione dettagliata della sperimentazione svolta. Il quarto capitolo sarà il cuore di questa tesi; in esso infatti verrà descritta e validata la nuova metodologia utilizzata. Nel quinto sarà eseguita un analisi puntuale di come lo strumento ha messo in evidenza le differenze per ogni item variato. Infine verranno tratte le conclusioni complessive dello studio condotto.

Distribuzioni di quasi-probabilità: la funzione di Wigner

L'elaborato fornisce una introduzione alla funzione di Wigner, ovvero una funzione di fase che gioca un ruolo chiave in alcuni ambiti della fisica come l'ottica quantistica. Nel primo capitolo viene sviluppato sommariamente l'apparato matematico-fisico della quantizzazione di Weyl e quindi introdotta l'omonima mappa di quantizzazione tra funzioni di fase ed operatori quantistici. Nella seconda parte si delinea la nozione di distribuzione di quasi-probabilit\`a e si danno alcune importanti esemplificazioni della funzione di Wigner per gli autostati dell'oscillatore armonico. Per finire l'ultimo capitolo tratteggia il panorama sperimentale all'interno del quale la funzione di Wigner viene utilizzata.

Il protocollo "BB84" per la distribuzione quantistica delle chiavi

Il fine di questa tesi è quello di arrivare a formulare il problema della distribuzione delle chiavi crittografiche e discutere la soluzione offerta dalla crittografia quantistica. Con la descrizione dei più importanti cifrari classici e in particolare con la dimostrazione dell'inviolabilità del cifrario di Vernam vengono definiti i punti del problema. Seguono delle basi di meccanica quantistica, fondamentali per presentare il protocollo BB84, cuore della tesi, primo protocollo di distribuzione quantistica delle chiavi. Se ne dimostra infine la sicurezza incondizionata.

Il ruolo della matematica nella meccanica quantistica in un approccio interdisciplinare per la scuola secondaria

Questo lavoro di tesi nasce all’interno del nucleo di ricerca in didattica della fisica dell’Università di Bologna, coordinato dalla professoressa Olivia Levrini e che coinvolge docenti di matematica e fisica dei Licei, assegnisti di ricerca e laureandi. Negli ultimi anni il lavoro del gruppo si è concentrato sullo studio di una possibile risposta all'evidente e pressante difficoltà di certi docenti nell'affrontare gli argomenti di meccanica quantistica che sono stati introdotti nelle indicazioni Nazionali per il Liceo Scientifico, dovuta a cause di vario genere, fra cui l'intrinseca complessità degli argomenti e l'inefficacia di molti libri di testo nel presentarli in modo adeguato. In questo contesto, la presente tesi si pone l’obiettivo di affrontare due problemi specifici di formalizzazione matematica in relazione a due temi previsti dalle Indicazioni Nazionali: il tema della radiazione di corpo nero, che ha portato Max Planck alla prima ipotesi di quantizzazione, e l’indeterminazione di Heisenberg, con il cambiamento di paradigma che ha costituito per l’interpretazione del mondo fisico. Attraverso un confronto diretto con le fonti, si cercherà quindi di proporre un percorso in cui il ruolo del protagonista sarà giocato dagli aspetti matematici delle teorie analizzate e dal modo in cui gli strumenti della matematica hanno contribuito alla loro formazione, mantenendo un costante legame con le componenti didattiche. Proprio in quest'ottica, ci si accorgerà della forte connessione fra i lavori di Planck e Heisenberg e due aspetti fondamentali della didattica della matematica: l'interdisciplinarietà con la fisica e il concetto di modellizzazione. Il lavoro finale sarà quindi quello di andare ad analizzare, attraverso un confronto con le Indicazioni Nazionali per il Liceo Scientifico e con alcune esigenze emerse dagli insegnanti, le parti e i modi in cui la tesi risponde a queste richieste.