Categorical quantum computation

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Multi-Prover and parallel repetition in non-classical interactive games

Depuis l’introduction de la mécanique quantique, plusieurs mystères de la nature ont trouvé leurs explications. De plus en plus, les concepts de la mécanique quantique se sont entremêlés avec d’autres de la théorie de la complexité du calcul. De nouvelles idées et solutions ont été découvertes et élaborées dans le but de résoudre ces problèmes informatiques. En particulier, la mécanique quantique a secoué plusieurs preuves de sécurité de protocoles classiques. Dans ce m´emoire, nous faisons un étalage de résultats récents de l’implication de la mécanique quantique sur la complexité du calcul, et cela plus précisément dans le cas de classes avec interaction. Nous présentons ces travaux de recherches avec la nomenclature des jeux à information imparfaite avec coopération. Nous exposons les différences entre les théories classiques, quantiques et non-signalantes et les démontrons par l’exemple du jeu à cycle impair. Nous centralisons notre attention autour de deux grands thèmes : l’effet sur un jeu de l’ajout de joueurs et de la répétition parallèle. Nous observons que l’effet de ces modifications a des conséquences très différentes en fonction de la théorie physique considérée.

Systèmes intégrables et superintégrables classiques et quantiques avec champ magnétique

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Systèmes intégrables et superintégrables classiques et quantiques avec champ magnétique

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Évolution des systèmes quantiques ouverts : décohérence et informatique quantique

Ce travail de maîtrise a mené à la rédaction d'un article (Physical Review A 80, 062319 (2009)).

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Études de l’effet tunnel des spins quantiques macroscopiques

Dans cette thèse, nous présentons quelques analyses théoriques récentes ainsi que des observations expérimentales de l’effet tunnel quantique macroscopique et des tran- sitions de phase classique-quantique dans le taux d’échappement des systèmes de spins élevés. Nous considérons les systèmes de spin biaxial et ferromagnétiques. Grâce à l’approche de l’intégral de chemin utilisant les états cohérents de spin exprimés dans le système de coordonnées, nous calculons l’interférence des phases quantiques et leur distribution énergétique. Nous présentons une exposition claire de l’effet tunnel dans les systèmes antiferromagnétiques en présence d’un couplage d’échange dimère et d’une anisotropie le long de l’axe de magnétisation aisé. Nous obtenons l’énergie et la fonc- tion d’onde de l’état fondamentale ainsi que le premier état excité pour les systèmes de spins entiers et demi-entiers impairs. Nos résultats sont confirmés par un calcul utilisant la théorie des perturbations à grand ordre et avec la méthode de l’intégral de chemin qui est indépendant du système de coordonnées. Nous présentons aussi une explica- tion claire de la méthode du potentiel effectif, qui nous laisse faire une application d’un système de spin quantique vers un problème de mécanique quantique d’une particule. Nous utilisons cette méthode pour analyser nos modèles, mais avec la contrainte d’un champ magnétique externe ajouté. La méthode nous permet de considérer les transitions classiques-quantique dans le taux d’échappement dans ces systèmes. Nous obtenons le diagramme de phases ainsi que les températures critiques du passage entre les deux régimes. Nous étendons notre analyse à une chaine de spins d’Heisenberg antiferro- magnétique avec une anisotropie le long d’un axe pour N sites, prenant des conditions frontière périodiques. Pour N paire, nous montrons que l’état fondamental est non- dégénéré et donné par la superposition des deux états de Néel. Pour N impair, l’état de Néel contient un soliton, et, car la position du soliton est indéterminée, l’état fondamen- tal est N fois dégénéré. Dans la limite perturbative pour l’interaction d’Heisenberg, les fluctuations quantiques lèvent la dégénérescence et les N états se réorganisent dans une bande. Nous montrons qu’à l’ordre 2s, où s est la valeur de chaque spin dans la théorie des perturbations dégénérées, la bande est formée. L’état fondamental est dégénéré pour s entier, mais deux fois dégénéré pour s un demi-entier impair, comme prévu par le théorème de Kramer

Tangible interfaces to explain Gaudi's use of ruled-surface geometries

This paper summarises the development of a machine-readable model series for explaining Gaudi's use of ruled surface geometry in the Sagrada Familia in Barcelona, Spain. The first part discusses the modeling methods underlying the columns of the cathedral and the techniques required to translate them into built structures. The second part discusses the design and development of a tangible machine-readable model to explain column-modeling methods interactively in educational contexts such as art exhibitions. It is designed to explain the principles underlying the column design by means of physical interaction without using mathematical terms or language.

Movements in gesture interfaces

There is a mismatch between the kinds of movements used in gesture interfaces and our existing theoretical understandings of gesture. We need to re-examine the assumptions of gesture research and develop theory more suited to gesture interface design. In addition to improved theory, we need to develop ways for participants in the process of design to adapt, extend and develop theory for their own design contexts. Gesture interface designers should approach theory as a contingent resource for design actions that is responsive to the needs of the design process.

Airports in their urban settings : towards a conceptual model of interfaces in the Australian context

In Australia, airports have emerged as important sub-regional activity centres and now pose challenges for both airport operation and planning in the surrounding urban and regional environment. The changing nature of airports in their metropolitan context and the emergence of new pressures and problems require the introduction of a fresh conceptual framework to assist the better understanding of these complex roles and spatial interactions. The approach draws upon the meta-concept of interfaces of an ‘airport metropolis’ as an organising device consisting of four main domains: economic development, land use,infrastructure, and governance. The paper uses the framework to further discuss airport and regional interactions and highlights the use of sustainability criteria to operationalise the model. The approach aims to move research and practice beyond the traditionally compartmentalised analysis of airport issues and policy-making by highlighting interdependencies between airports and regions.

Accident prediction model for railway-highway interfaces

Considerable past research has explored relationships between vehicle accidents and geometric design and operation of road sections, but relatively little research has examined factors that contribute to accidents at railway-highway crossings. Between 1998 and 2002 in Korea, about 95% of railway accidents occurred at highway-rail grade crossings, resulting in 402 accidents, of which about 20% resulted in fatalities. These statistics suggest that efforts to reduce crashes at these locations may significantly reduce crash costs. The objective of this paper is to examine factors associated with railroad crossing crashes. Various statistical models are used to examine the relationships between crossing accidents and features of crossings. The paper also compares accident models developed in the United States and the safety effects of crossing elements obtained using Korea data. Crashes were observed to increase with total traffic volume and average daily train volumes. The proximity of crossings to commercial areas and the distance of the train detector from crossings are associated with larger numbers of accidents, as is the time duration between the activation of warning signals and gates. The unique contributions of the paper are the application of the gamma probability model to deal with underdispersion and the insights obtained regarding railroad crossing related vehicle crashes. Considerable past research has explored relationships between vehicle accidents and geometric design and operation of road sections, but relatively little research has examined factors that contribute to accidents at railway-highway crossings. Between 1998 and 2002 in Korea, about 95% of railway accidents occurred at highway-rail grade crossings, resulting in 402 accidents, of which about 20% resulted in fatalities. These statistics suggest that efforts to reduce crashes at these locations may significantly reduce crash costs. The objective of this paper is to examine factors associated with railroad crossing crashes. Various statistical models are used to examine the relationships between crossing accidents and features of crossings. The paper also compares accident models developed in the United States and the safety effects of crossing elements obtained using Korea data. Crashes were observed to increase with total traffic volume and average daily train volumes. The proximity of crossings to commercial areas and the distance of the train detector from crossings are associated with larger numbers of accidents, as is the time duration between the activation of warning signals and gates. The unique contributions of the paper are the application of the gamma probability model to deal with underdispersion and the insights obtained regarding railroad crossing related vehicle crashes.

The effects of cognitive ageing on the use of complex interfaces

This paper discusses an experiment investigating the effects of cognitive ageing and prior-experience with technology on using complex interfaces intuitively. Overall 37 participants, between the ages of 18 to 83, participated in this study. All participants were assessed for their cognitive abilities and prior-experience with technology. It was anticipated that the Central Executive function (a component of Working Memory) would emerge as one of the important cognitive functions in using complex interfaces. This was found to be the case with the strongest negative correlation occurring between sustained attention (one of the functions of the Central Executive), the time to complete the task and number of errors made by the participants.