Quantum phase estimation algorithms

Al contrario dei computer classici, i computer quantistici lavorano tramite le leggi della meccanica quantistica, e pertanto i qubit, ovvero l'unità base di informazione quantistica, possiedono proprietà estremamente interessanti di sovrapposizione ed entanglement. Queste proprietà squisitamente quantistiche sono alla base di innumerevoli algoritmi, i quali sono in molti casi più performanti delle loro controparti classiche. Obiettivo di questo lavoro di tesi è introdurre dal punto di vista teorico la logica computazionale quantistica e di riassumere brevemente una classe di tali algoritmi quantistici, ossia gli algoritmi di Quantum Phase Estimation, il cui scopo è stimare con precisione arbitraria gli autovalori di un dato operatore unitario. Questi algoritmi giocano un ruolo cruciale in vari ambiti della teoria dell'informazione quantistica e pertanto verranno presentati anche i risultati dell'implementazione degli algoritmi discussi sia su un simulatore che su un vero computer quantistico.

LoRa Mesh: un caso di studio per la comunicazione tra imbarcazioni da diporto

Il progetto è stato sviluppato con l’idea di creare una rete attraverso la quale imbarcazioni da diporto relativamente vicine (10km), si possano scambiare informazioni sullo stato del mare e della navigazione, anche in assenza di una connessione a internet. In tal modo i dati dell’imbarcazione, come temperatura esterna, temperatura dell’acqua, vento, coordinate gps, AIS ecc... verrebbero condivisi attraverso la rete. In questo progetto è stata sviluppata un'infrastruttura in grado di far comunicare imbarcazioni da diporto su bande non licenziate, utilizzando solo materiale OpenSource, in particolare un protocollo chiamato LoRaMesh. Tale infrastruttura, non basandosi su uno standard definito, ha la possibilità di adattarsi a qualsiasi tipo di dato. Tutto il progetto si basa su schede PyCom, ed è stato sviluppato del codice in grado di fornire uno scambio di dati costante e un’interfacci BLE per comunicare con più dispositivi possibili. Per fornire un’esempio di come ci si può connettere con il BLE è stata scritta un’app per IOS che fornisce varie funzionalità, tra cui la possibilità di inviare dati GPS, molto utile per l’esecuzione dei vari test. Sono state svolte varie prove, in diversi luoghi e condizioni, utili a capire la portata massima dei dispositivi, e come la rete mesh si adatta e ripara.

Studio delle prestazioni di un sistema per il sensing basato sulla modulazione OTFS

Questo elaborato tratta lo studio e l'implementazione della modulazione Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) in sistemi di tipo Joint Sensing and Communication (JSC), ossia sistemi in cui le funzionalità di comunicazione e "sensing" condividono lo stesso hardware e la stessa banda di frequenze. La modulazione OTFS è una recente tecnica di modulazione bidimensionale, progettata nel dominio delay-Doppler, che sta riscuotendo particolare interesse nel panorama delle telecomunicazioni in quanto portatrice di alcuni importanti vantaggi nei sistemi delle reti cellulari. Rispetto alle moderne modulazioni multi-portante, come l'OFDM, l'OTFS si dimostra essere in grado di offrire prestazioni migliori e più robuste in condizioni di connessioni ad alta velocità (High Mobility), con una maggiore efficienza spettrale, in quanto non prevede l'utilizzo di un prefisso ciclico per la gestione del problema dell'ISI. Un altro punto di forza importante della modulazione OTFS è quello di risultare particolarmente adatta e compatibile con le applicazioni di JSC, soprattutto grazie all'estrema robustezza a grandi spostamenti Doppler, e la possibilità di fare "sensing" raggiungendo distanze decisamente maggiori rispetto all'OFDM, grazie all'assenza del prefisso ciclico. Tutto questo però viene al costo di un notevole incremento del sistema, con tempi di esecuzione molto elevati. Dopo aver presentato il sistema OTFS in generale e in ambito JSC, in un particolare scenario, lo si è implementando in MATLAB sviluppando due versioni: una standard e una a complessità ridotta, in grado di raggiungere risoluzioni molto elevate in tempi di calcolo contenuti. Infine questo sistema, in grado di stimare i parametri radar di distanza e velocità radiale relativa, associati ad un certo target, è stato simulato e i risultati relativi alle performance sulla stima dei parametri, in termini di RMSE e CRLB, sono stati riportati e posti a confronto con quelli ottenuti nel caso OFDM, a parità di scenario.

SmartForge: An event-driven architecture for simulator-based process optimization

In the metal industry, and more specifically in the forging one, scrap material is a crucial issue and reducing it would be an important goal to reach. Not only would this help the companies to be more environmentally friendly and more sustainable, but it also would reduce the use of energy and lower costs. At the same time, the techniques for Industry 4.0 and the advancements in Artificial Intelligence (AI), especially in the field of Deep Reinforcement Learning (DRL), may have an important role in helping to achieve this objective. This document presents the thesis work, a contribution to the SmartForge project, that was performed during a semester abroad at Karlstad University (Sweden). This project aims at solving the aforementioned problem with a business case of the company Bharat Forge Kilsta, located in Karlskoga (Sweden). The thesis work includes the design and later development of an event-driven architecture with microservices, to support the processing of data coming from sensors set up in the company's industrial plant, and eventually the implementation of an algorithm with DRL techniques to control the electrical power to use in it.

Analisi strutturale del cerchione in materiale composito del veicolo solare Emilia 5

La finalità della tesi è quella di poter progettare il cerchione del veicolo solare "Emilia 5" in materiale composito. Questa auto è l’evoluzione della "Emilia 4", sviluppata dalla squadra Onda Solare in collaborazione con l’Università di Bologna, con cui sono state vinte molte gare. Tramite software (Ansys) è stato realizzato il modello virtuale del cerchione in fibra di carbonio e, con l'ausilio dell'analisi agli elementi finiti, ne è stata verificata la stabilità, sottoponendolo a cinque condizioni di carico diverse. Lo studio approfondisce le tematiche riguardanti i materiali compositi, il concetto di sequenza di laminazione e come varia la distribuzione delle tensioni al variare di esse. In particolare, viene analizzato con attenzione lo studio tramite software della sequenza di laminazione che permette di ottenere i risultati migliori per il tipo di applicazione. Infine, vengono confrontati i dati ottenuti dalle simulazioni effettuate, per l'analisi e lo studio dei dati significativi.

Studio della reazione di hydrogen-transfer di metil levulinato con etanolo in fase vapore: effetto del palladio supportato su catalizzatori contenenti zirconio

La valorizzazione di biomasse lignocellulosiche rappresenta la strada che la chimica può percorrere per svincolarsi dalle fonti fossili e virare verso un futuro incentrato sulla sostenibilità ambientale. In quest’ottica, l’acido levulinico (AL) e i suoi esteri, detti alchil levulinati, ottenibili dalla valorizzazione di biomasse di scarto, rappresentano una classe di composti di grande interesse industriale. Infatti, dalla loro riduzione è possibile ottenere g-valerolattone (GVL), un’importante molecola piattaforma per l’industria chimica, o alchil valerati, composti interessanti per diverse branche dell’industria chimica e per la formulazione di bio-carburanti. Già da tempo è nota la possibilità di effettuare la riduzione di AL in fase liquida in presenza di alcoli come H-Donor secondo un meccanismo detto Catalytic Transfer Hydrogenation che può essere promosso da ossido di zirconio (ZrO2). Recentemente, è stato ottimizzato un processo che impiega i reagenti appena citati in un reattore continuo operante in fase gassosa con ZrO2 come catalizzatore. In questo lavoro, si è dopato tale sistema catalitico con palladio, al fine di promuovere le reazioni di riduzione consecutiva al GVL e si sono ottimizzati i parametri operativi come tempo di contatto, temperatura e rapporto tra substrato e H-Donor.

Electrochemical oxidation of Kraft and Dealkaline lignin to produce value-added chemicals on Nickel electrocatalysts

One of the most important scientific and environmental issues is reducing global dependence on fossil sources and one of the solutions is to use biomass as feedstock. In particular, the use of lignocellulosic biomass to obtain molecules with considerable commercial importance is gaining more and more interest. Lignin, the most recalcitrant part of lignocellulosic biomass, is a valuable source of sustainable and renewable aromatic molecules, currently produced from petrochemical processes. Vanillin, one of the most important aromatic aldehydes on an industrial level, can be obtained through catalytic lignin oxidation. An alternative to the conventional catalytic oxidation process is the electro-catalytic process, which can be carried out at ambient temperature and pressure, using water as solvent, and it can be considered as a renewable energy storage. In this thesis, the electrocatalytic oxidation of Kraft and Dealkaline lignin in NaOH was investigated over Ni foam catalysts. The effect of the reaction parameters (i.e. time, applied potential, lignin concentration, NaOH concentration, and temperature) on the yields of vanillin and other valuable products was evaluated. After the screening of the reaction conditions, a systematic study of the contribution of the homogeneous reaction (lignin depolymerization due to the basic solvent) to the yield of the product was accomplished. Finally, considering the obtained results, an alternative reaction procedure was proposed.

Sintesi di dimetiladipato da carbonati organici e ciclopentanone utilizzando catalizzatori eterogenei a base di zinco

Lo scopo di questo progetto è studiare e sviluppare una sintesi alternativa del dimetiladipato (DMA), a partire da ciclopentanone (CPO) e dimetilcarbonato (DMC), con l’utilizzo di un ossido misto di zinco e magnesio come catalizzatore eterogeneo. Le prove sono state svolte in fase liquida con un reattore operante in condizioni discontinue (batch). In particolare, si è investigato l’effetto di diversi parametri operativi sulla reazione quali il tempo, il rapporto molare di alimentazione dei due reagenti, il carico catalitico utilizzato, il rapporto atomico Zn/Mg nel catalizzatore e la temperatura. Una volta individuate le migliori condizioni, si è valutata la possibilità di svolgere la reazione in due step, per cercare di incrementare la resa di DMA. Inizialmente, si è studiato solo il secondo step, cioè la reazione fra l’intermedio (carbossimetilciclopentan-2-one) e il metanolo e si sono ottenute rese di DMA del 92% con un rapporto MeOH:Intermedio di 150:1. Dopo aver ricavato le migliori condizioni di tale reazione, si è svolta la reazione completa a due step e si è dimostrato che è possibile condurre il secondo step a temperature più basse rispetto al primo, per convertire l’intermedio rimasto a DMA e migliorarne la resa dal 32% al 40%.

Towards the sustainable production of methyl methacrylate: A comparative analysis of industrial chemical production processes using life cycle assessment methodology

Increasing environmental awareness has been a significant driving force for innovations and process improvements in different sectors and the field of chemistry is not an outlier. Innovating around industrial chemical processes in line with current environmental responsibilities is however no mean feat. One of such hard to overhaul process is the production of methyl methacrylate (MMA) commonly produced via the acetone cyanohydrin (ACH) process developed back in the 1930s. Different alternatives to the ACH process have emerged over the years and the Alpha Lucite process has been particularly promising with a combined plant capacity of 370,000 metric tonnes in Singapore and Saudi Arabia. This study applied Life Cycle Assessment methodology to conduct a comparative analysis between the ACH and Lucite processes with the aim of ascertaining the effect of applying principles of green chemistry as a process improvement tool on overall environmental impacts. A further comparison was made between the Lucite process and a lab-scale process that is further improvement on the former, also based on green chemistry principles. Results showed that the Lucite process has higher impacts on resource scarcity and ecosystem health whereas the ACH process has higher impacts on human health. On the other hand, compared to the Lucite process the lab-scale process has higher impacts in both the ecosystem and human health categories with lower impacts only in the resource scarcity category. It was observed that the benefits of process improvements with green chemistry principles might not be apparent in some categories due to some limitations of the methodology. Process contribution analysis was also performed and it revealed that the contribution of energy is significant, therefore a sensitivity analysis with different energy scenarios was performed. An uncertainty analysis using Monte Carlo analysis was also performed to validate the consistency of the results in each of the comparisons.

Studio e ottimizzazione del riciclo di CFRP tramite processo di pirogassificazione

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) stanno sempre più sostituendo i materiali convenzionali in applicazioni che necessitano di alte prestazioni meccaniche, grazie alla loro leggerezza e alle eccellenti proprietà meccaniche. Dato l'enorme incremento della loro produzione e delle loro applicazioni, uno dei principali problemi risiede nel loro smaltimento, sia a fine vita che degli scarti e sfridi di lavorazione. Inoltre, la produzione di fibre di carbonio (CF) necessita di un elevato fabbisogno energetico (183-286 MJ/kg), pertanto la possibilità di recupero dei compositi in ottica di riutilizzo delle CF sembra essere un'opzione promettente in termini di sostenibilità ed economia circolare. Nell’ottica di identificare una metodologia per recuperare e riciclare questi materiali, il lavoro della presente tesi di laurea sperimentale, svolto in collaborazione con Leonardo SpA, è stato quello di studiare e ottimizzare il processo di pirogassificazione su CRFP aeronautici.

Conditional entropy and predictability for non-reversible Markov systems

The purpose of this thesis is to clarify the role of non-equilibrium stationary currents of Markov processes in the context of the predictability of future states of the system. Once the connection between the predictability and the conditional entropy is established, we provide a comprehensive approach to the definition of a multi-particle Markov system. In particular, starting from the well-known theory of random walk on network, we derive the non-linear master equation for an interacting multi-particle system under the one-step process hypothesis, highlighting the limits of its tractability and the prop- erties of its stationary solution. Lastly, in order to study the impact of the NESS on the predictability at short times, we analyze the conditional entropy by modulating the intensity of the stationary currents, both for a single-particle and a multi-particle Markov system. The results obtained analytically are numerically tested on a 5-node cycle network and put in correspondence with the stationary entropy production. Furthermore, because of the low dimensionality of the single-particle system, an analysis of its spectral properties as a function of the modulated stationary currents is performed.

Pesca e acquacoltura tra diversificazione e multifunzionalità

In questo lavoro di tesi,è stato descritto come le tecniche di pesca che da sempre consentono l’approvvigionamento di risorse da mari, laghi e fiumi siano state sempre più sviluppate nel tempo ed adattate per soddisfare le esigenze sempre più crescenti dei consumatori di tutto il mondo; è stato fatto un inquadramento generali sulle varie tecniche ed è stato descritto anche come però spesso tali tecniche siano dannose per l’ambiente circostante e arrechino spesso danni irreparabili ad interi ecosistemi, è stato poi riportato come abbiano causato un impoverimento delle risorse e come, se non opportunamente gestite potrebbero negli anni causare il collasso e l’estinzione di intere specie di animali. Sono state riportate le pratiche della pesca sostenibile e le soluzioni attualmente attuate per tutelare le varie specie, con riferimento particolare al caso del Tonno Rosso. È stato poi descritto come l’acquacoltura sia una pratica che tenta di contrastare, in maniera seppur marginale, il destino a cui sembrano essere condannati ambienti marini, fluviali e lacustri, è stato descritto come anche tale pratica abbia avuto un’evoluzione costante fin da tempi antichissimi e come sia stata migliorata per andare incontro alle richieste dei consumatori senza però venir meno ai principi morali e umani nei confronti degli animali, sono state illustrate le varianti di questa pratica mettendone singolarmente in luce pregi e difetti. Sostanzialmente è infine stato concluso che acquacoltura e pesca sostenibile sono le uniche pratiche che potrebbero di fatto permettere di proseguire con l’approvvigionamento di materie prime ittiche senza necessariamente rimodulare completamente le abitudini alimentari, permettendo una collaborazione tra gli habitat marini, fluviali e lacustri e le nostre necessità.

Equazione di Dirac in grafene con deformazioni di reticolo

In questa tesi si sono analizzate le principali conseguenze dovute alle deformazioni nel reticolo cristallino del grafene. Si è fatta innanzitutto, una descrizione generale della struttura cristallina, seguita dal caso specifico del reticolo esagonale del grafene. Si è poi, passati alla struttura elettronica studiata in approssimazione di legame forte tramite il formalismo della seconda quantizzazione, arrivando a descrivere la particolare struttura a bande coniche del grafene, dove i portatori di carica, detti quasiparticelle, sono ben descritti dall'equazione di Dirac. Si sono, in seguito, introdotte le deformazioni del reticolo e i metodi per ottenerle, arrivando ad ampliare l'equazione di Dirac, inserendo in essa gli effetti dei potenziali, pseudo-vettore e scalare, indotti dalla deformazione. Questi potenziali indotti portano con loro alcune conseguenze, si sono analizzate in particolare quelle sulla distribuzione di carica, con particolare attenzione agli effetti di confinamento, e quelle sul trasporto di carica, in particolare riguardanti il filtraggio di valle.

CartBot: un’applicazione di chat bot mobile per l’e-grocery

Sempre più negli ultimi anni si interagisce con i chatbot, software che simulano una conversazione con un essere umano utilizzando il linguaggio naturale. L’elaborato di tesi mira ad uno studio più approfondito della tematica, a partire da come tale tecnologia si è evoluta nel corso degli anni. Si procede analizzando le principali applicazioni dei bot, soffermandosi anche sui cambiamenti apportati dalla pandemia di Covid-19, ed evidenziando le principali ragioni che portano aziende e singoli al loro utilizzo. Inoltre, vengono descritti i diversi tipi di bot esistenti e viene analizzato il Natural Language Processing, ramo dell’Intelligenza Artificiale che mira alla comprensione del linguaggio naturale. Nei capitoli successivi viene descritto il progetto CartBot, un’applicazione di chat mobile per l’e-grocery, implementata come un chatbot che guida il cliente all’acquisto della spesa online. Vengono descritte le tecnologie utilizzate, con particolare riferimento al software di Google Dialogflow, che permette di sviluppare bot; inoltre viene analizzata come è stata effettuata la progettazione, sia lato front-end che back-end, allegando il flowchart, un diagramma di flusso realizzato per definire la sequenza di azioni e passaggi richiesti dal bot per effettuare l’acquisto. Infine, sono descritte le varie sottosezioni di CartBot, che riguardano la visualizzazione dei prodotti e il completamento dell’ordine, allegando screenshot dell’interfaccia finale ottenuta e inserendo il codice di alcune funzioni rilevanti.

Innovative layout design and radiated harmonic analysis for advanced frequency-diverse array solutions

Wireless power transfer is becoming a crucial and demanding task in the IoT world. Despite the already known solutions exploiting a near-field powering approach, far-field WPT is definitely more challenging, and commercial applications are not available yet. This thesis proposes the recent frequency-diverse array technology as a potential candidate for realizing smart and reconfigurable far-field WPT solutions. In the first section of this work, an analysis on some FDA systems is performed, identifying the planar array with circular geometry as the most promising layout in terms of radiation properties. Then, a novel energy aware solution to handle the critical time variability of the FDA beam pattern is proposed. It consists on a time-control strategy through a triangular pulse, and it allows to achieve ad-hoc and real time WPT. Moreover, an essential frequency domain analysis of the radiating behaviour of a pulsed FDA system is presented. This study highlights the benefits of exploiting the intrinsic pulse harmonics for powering purposes, thus minimising the power loss. Later, the electromagnetic design of a radial FDA architecture is addressed. In this context, an exhaustive investigation on miniaturization techniques is carried out; the use of multiple shorting pins together with a meandered feeding network has been selected as a powerful solution to halve the original prototype dimension. Finally, accurate simulations of the designed radial FDA system are performed, and the obtained results are given.