Non-Markovian dynamics and quantum information probes

This Thesis discusses the phenomenology of the dynamics of open quantum systems marked by non-Markovian memory effects. Non-Markovian open quantum systems are the focal point of a flurry of recent research aiming to answer, e.g., the following questions: What is the characteristic trait of non-Markovian dynamical processes that discriminates it from forgetful Markovian dynamics? What is the microscopic origin of memory in quantum dynamics, and how can it be controlled? Does the existence of memory effects open new avenues and enable accomplishments that cannot be achieved with Markovian processes? These questions are addressed in the publications forming the core of this Thesis with case studies of both prototypical and more exotic models of open quantum systems. In the first part of the Thesis several ways of characterizing and quantifying non-Markovian phenomena are introduced. Their differences are then explored using a driven, dissipative qubit model. The second part of the Thesis focuses on the dynamics of a purely dephasing qubit model, which is used to unveil the origin of non-Markovianity for a wide class of dynamical models. The emergence of memory is shown to be strongly intertwined with the structure of the spectral density function, as further demonstrated in a physical realization of the dephasing model using ultracold quantum gases. Finally, as an application of memory effects, it is shown that non- Markovian dynamical processes facilitate a novel phenomenon of timeinvariant discord, where the total quantum correlations of a system are frozen to their initial value. Non-Markovianity can also be exploited in the detection of phase transitions using quantum information probes, as shown using the physically interesting models of the Ising chain in a transverse field and a Coulomb chain undergoing a structural phase transition.

On non-ideal and non-linear portal frame dynamics analysis using bogoliubov averaging method

We apply the Bogoliubov Averaging Method to the study of the vibrations of an elastic foundation, forced by a Non-ideal energy source. The considered model consists of a portal plane frame with quadratic nonlinearities, with internal resonance 1:2, supporting a direct current motor with limited power. The non-ideal excitation is in primary resonance in the order of one-half with the second mode frequency. The results of the averaging method, plotted in time evolution curve and phase diagrams are compared to those obtained by numerically integrating of the original differential equations. The presence of the saturation phenomenon is verified by analytical procedures.

Heterogeneous mass transfer in fluidized beds by computational fluid dynamics

The main objective of this research is to estimate and characterize heterogeneous mass transfer coefficients in bench- and pilot-scale fluidized bed processes by the means of computational fluid dynamics (CFD). A further objective is to benchmark the heterogeneous mass transfer coefficients predicted by fine-grid Eulerian CFD simulations against empirical data presented in the scientific literature. First, a fine-grid two-dimensional Eulerian CFD model with a solid and gas phase has been designed. The model is applied for transient two-dimensional simulations of char combustion in small-scale bubbling and turbulent fluidized beds. The same approach is used to simulate a novel fluidized bed energy conversion process developed for the carbon capture, chemical looping combustion operated with a gaseous fuel. In order to analyze the results of the CFD simulations, two one-dimensional fluidized bed models have been formulated. The single-phase and bubble-emulsion models were applied to derive the average gas-bed and interphase mass transfer coefficients, respectively. In the analysis, the effects of various fluidized bed operation parameters, such as fluidization, velocity, particle and bubble diameter, reactor size, and chemical kinetics, on the heterogeneous mass transfer coefficients in the lower fluidized bed are evaluated extensively. The analysis shows that the fine-grid Eulerian CFD model can predict the heterogeneous mass transfer coefficients quantitatively with acceptable accuracy. Qualitatively, the CFD-based research of fluidized bed process revealed several new scientific results, such as parametrical relationships. The huge variance of seven orders of magnitude within the bed Sherwood numbers presented in the literature could be explained by the change of controlling mechanisms in the overall heterogeneous mass transfer process with the varied process conditions. The research opens new process-specific insights into the reactive fluidized bed processes, such as a strong mass transfer control over heterogeneous reaction rate, a dominance of interphase mass transfer in the fine-particle fluidized beds and a strong chemical kinetic dependence of the average gas-bed mass transfer. The obtained mass transfer coefficients can be applied in fluidized bed models used for various engineering design, reactor scale-up and process research tasks, and they consequently provide an enhanced prediction accuracy of the performance of fluidized bed processes.

Two-phase flow measurements with spacer grid in a rod bundle geometry

Heat transfer effectiveness in nuclear rod bundles is of great importance to nuclear reactor safety and economics. An important design parameter is the Critical Heat Flux (CHF), which limits the transferred heat from the fuel to the coolant. The CHF is determined by flow behaviour, especially the turbulence created inside the fuel rod bundle. Adiabatic experiments can be used to characterize the flow behaviour separately from the heat transfer phenomena in diabatic flow. To enhance the turbulence, mixing vanes are attached to spacer grids, which hold the rods in place. The vanes either make the flow swirl around a single sub-channel or induce cross-mixing between adjacent sub-channels. In adiabatic two-phase conditions an important phenomenon that can be investigated is the effect of the spacer on canceling the lift force, which collects the small bubbles to the rod surfaces leading to decreased CHF in diabatic conditions and thus limits the reactor power. Computational Fluid Dynamics (CFD) can be used to simulate the flow numerically and to test how different spacer configurations affect the flow. Experimental data is needed to validate and verify the used CFD models. Especially the modeling of turbulence is challenging even for single-phase flow inside the complex sub-channel geometry. In two-phase flow other factors such as bubble dynamics further complicate the modeling. To investigate the spacer grid effect on two-phase flow, and to provide further experimental data for CFD validation, a series of experiments was run on an adiabatic sub-channel flow loop using a duct-type spacer grid with different configurations. Utilizing the wire-mesh sensor technology, the facility gives high resolution experimental data in both time and space. The experimental results indicate that the duct-type spacer grid is less effective in canceling the lift force effect than the egg-crate type spacer tested earlier.

Models to study intermediate filament dynamics and functions

Intermediate filaments are part of the cytoskeleton and nucleoskeleton; they provide cells with structure and have important roles in cell signalling. The IFs are a large protein family with more than 70 members; each tightly regulated and expressed in a cell type-specific manner. Although the IFs have been known and studied for decades, our knowledge about their specific functions is still limited, despite the fact that mutations in IF genes cause numerous severe human diseases. In this work, three IF proteins are examined more closely; the nuclear lamin A/C and the cytoplasmic nestin and vimentin. In particular the regulation of lamin A/C dynamics, the role of nestin in muscle and body homeostasis as well as the functions and evolutionary aspects of vimentin are investigated. Together this data highlights some less well understood functions of these IFs. We used mass-spectrometry to identify inter-phase specific phosphorylation sites on lamin A. With the use of genetically engineered lamin A protein in combination with high resolution microscopy and biochemical methods we discovered novel roles for this phosphorylation in regulation of lamin dynamics. More specifically, our data suggests that the phosphorylation of certain amino acids in lamin A determines the localization and dynamics of the protein. In addition, we present results demonstrating that lamin A regulates Cdk5-activity. In the second study we use mice lacking nestin to gain more knowledge of this seldom studied protein. Our results show that nestin is essential for muscle regeneration; mice lacking nestin recover more slowly from muscle injury and show signs of spontaneous muscle regeneration, indicating that their muscles are more sensitive to stresses and injury. The absence of nestin also leads to decreased over-all muscle mass and slower body growth. Furthermore, nestin has a role in controlling testicle homeostasis as nestin-/- male mice show a greater variation in testicle size. The common fruit fly Drosophila melanogaster lacks cytoplasmic IFs as most insects do. By creating a fly that expresses human vimentin we establish a new research platform for vimentin studies, as well as provide a new tool for the studies of IF evolution.

Signification de l’expérience de la phase palliative du cancer, pour des personnes atteintes et leurs familles des Baléares, alors que le pronostic leur est connu

Le cancer est considéré comme l’une des principales causes de morbidité et de mortalité et, en Espagne, représente à lui seul 25% du taux de mortalité globale. Lorsqu’une personne et sa famille font l’expérience de traverser la phase avancée du cancer, celles-ci vivent un grand choc émotionnel où les souffrances physique, psychique et spirituelle peuvent être présentes. L’information donnée par les professionnels de la santé aux membres de la famille, incluant la personne atteinte, en ce qui concerne le diagnostic et le pronostic du cancer est maintenant plus fréquente dans le contexte méditerranéen. Il n'est pas clair, toutefois, comment cette nouvelle approche est vécue par les familles. C’est pourquoi, le but de cette recherche qualitative de type phénoménologique est d’explorer la signification de l’expérience de familles dont l’un des membres est atteint d’un cancer terminal, alors que tous connaissent le pronostic de la maladie. Les résultats obtenus reposent sur l’analyse en profondeur d’entrevues réalisées auprès de quatre couples. L’analyse des données, à l’aide de la méthode phénoménologique de Giorgi (1997), fait émerger deux thèmes centraux caractérisant la signification de cette expérience de la phase palliative de cancer, alors que l’information sur le mauvais pronostic est connue tant par la personne atteinte que sa famille. Le premier thème central est celui de vivre intensément la perte de la vie rêvée et comporte le vécu suite au choc du pronostic fatal, le fait de vivre constamment des sentiments et des émotions liés à différentes pertes telles que la tristesse, la frustration, l’inquiétude et l’incertitude, et l’espoir de ne pas souffrir. Le deuxième thème central qui ressort est le développement de stratégies par les couples participants afin de rendre leur vie plus supportable. Ces stratégies sont les suivantes : accueillir l’information et le soutien professionnel, retrouver une certaine normalité dans la vie quotidienne, profiter de la vie, recevoir l’aide de la famille et des amis, maintenir une communication cognitive et instrumentale ouverte, se protéger au niveau émotionnel et envisager l’avenir sans la personne aimée. Tous ces éléments, dans le contexte individuel de vie de chaque famille transforment chacun de ces vécus en une expérience unique qui doit être comprise et respectée comme telle par tous les professionnels de la santé impliqués. Les connaissances développées par cette recherche permettront aux infirmières de mieux comprendre l’expérience de la phase palliative du cancer pour des couples dont le diagnostic et le pronostic fatal sont connus par tous, ceci afin d’améliorer leur qualité des soins. Afin de poursuivre le développement du savoir infirmier, il est recommandé de poursuivre des études afin d’explorer plus en profondeur la communication au sein des couples.

Modélisation systémique de la transition pour des familles ayant un adolescent atteint de fibrose kystique en phase pré-transfert vers l'établissement adulte

Les progrès spectaculaires réalisés dans le traitement de la fibrose kystique font en sorte qu'un nombre de plus en plus élevé de familles comptant un adolescent atteint de ce problème de santé, peut maintenant envisager d'effectuer la transition depuis l'adolescent vers l'âge adulte. À ce jour, les recherches à ce sujet demeurent peu nombreuses, principalement en ce qui a trait à la nature des interations entre les adolescents, leurs parents et les professionnels de la santé qui préparent ces familles en vue du transfert, depuis un établissement pédiatrique vers un établissement adulte. L'appréhension de ce phénomène s'est réalisée dans une perspective constructiviste et systémique, ce qui a permis de mettre en relief certaines des multiples facettes du phénomène et de jeter un éclairage novateur sur des dynamiques entre les membres de la famille et entre ces derniers et les professionnels de la santé. Le but de cette étude de cas, de type qualitavive, était de modéliser de manière systémique, le processus de transtion pour des familles ayant un adolescent atteint de la fibrose kystique qui est en phase pré transfert, depuis l'établissement pédiatrique vers le milieu adulte. Des entretiens semi-dirigés ont été réalisés avec sept familles comptant un adolescent atteint de la fibrose kystique. De plus, un entretien de groupe a également été effectué avec une équipe interprofessionnelle oeuvrant dans une clinique qui traite des adolescents atteints de la fibrose kysitque. L'analyse qualitative des données a mené au développement d'un modèle systémique de la transition pour ces familles. Ce modèle souligne qu'en évoluant de façon parallèle, les familles et les professionnels de la santé poursuivent la même finalité de favoriser le développement de l'autonomie de l'adolescent. Ce processus de transition chez ces familles s'inscrit, par ailleurs, dans un espace-temps signifié par le transfert inter-établissements, avec peu de considération pour la souffrance parentale liée au pronostic de la maladie. Ainsi, le développement de l'autonomie est marqué par la confiance qui doit s'établir entre l'adolescent et son parent, en passant par la surveillance du parent envers l'adolescent et par la responsabilisation graduelle chez ce dernier. Cette étude propose donc une modélisation systémique de ce processus de transition qui contribue non seulement au développement du concept de la transition en sciences de la santé, mais aussi de la pratique clinique et de la recherche dans le domaine des soins à la famille aux prises avec un adolescent atteint de la fibrose kystique.

Transmission dynamics and tuberculosis control among HIV/AIDS patients

Introduction: Les efforts globaux pour contrôler la tuberculose sont présentement restreints par la prévalence croissante du VIH/SIDA. Quoique les éclosions de la tuberculose multi résistante (TB-MDR) soient fréquemment rapportées parmi les populations atteintes du SIDA, le lien entre VIH/SIDA et le développement de résistance n’est pas clair. Objectifs: Cette recherche visait à : (1) développer une base de connaissances concernant les facteurs associés à des éclosions de la TB-MDR parmi les patients atteints du VIH/SIDA; (2) utiliser ce cadre de connaissances pour accroître des mesures préliminaires pour mieux contrôler la tuberculose pulmonaire chez les patients atteints du VIH/SIDA; et (3) afin d’améliorer l’application des ces mesures, affiner les techniques bactériologiques existantes pour Mycobacterium tuberculosis. Méthodologie: Quatre études ont été réalisées : (1) Une étude longitudinale pour identifier les facteurs associés avec une éclosion de la TB-MDR parmi les patients atteints du SIDA qui ont reçu le traitement directement supervisé de courte durée (DOTS) pour la tuberculose pulmonaire au Lima et au Pérou entre 1999 et 2005; (2) Une étude transversale pour décrire différentes étapes de l’histoire naturelle de la tuberculose, la prévalence et les facteurs associés avec la mycobactérie qu’on retrouve dans les selles des patients atteints du SIDA; (3) Un projet pilote pour développer des stratégies de dépistage pour la tuberculose pulmonaire parmi les patients hospitalisés atteints du SIDA, en utilisant l’essaie Microscopic Observation Drug Susceptibility (MODS); et (4) Une étude laboratoire pour identifier les meilleures concentrations critiques pour détecter les souches MDR de M. tuberculosis en utilisant l’essaie MODS. Résultats : Étude 1 démontre qu’une épidémie de TB-MDR parmi les patients atteints du SIDA qui ont reçu DOTS pour la tuberculose pulmonaire ait été causée par la superinfection du clone de M. tuberculosis plutôt que le développement de la résistance secondaire. Bien que ce clone ait été plus commun parmi la cohorte de patients atteints du SIDA, il n’avait aucune différence de risque pour superinfection entre les patients avec ou sans SIDA. Ces résultats suggèrent qu’un autre facteur, possiblement associé à la diarrhée, peu contribuer à la prévalence élevée de ce clone chez les patients atteints du SIDA. Étude 2 suggère que chez la plupart des patients atteints du SIDA il a été retrouvé une mycobactérie dans leurs selles alors qu’ils étaient en phase terminale au niveau de la tuberculose pulmonaire. Or, les patients atteints du SIDA ayant été hospitalisés pendant les deux dernières années pour une autre condition médicale sont moins à risque de se retrouver avec une mycobactérie dans leurs selles. Étude 3 confirme que la tuberculose pulmonaire a été commune à tous les patients hospitalisés atteints du SIDA, mais diagnostiquée incorrectement en utilisant les critères cliniques présentement recommandés pour la tuberculose. Or, l’essaie MODS a détecté pour la plupart de ces cas. De plus, MODS a été également efficace quand la méthode a été dirigée aux patients soupçonnés d’avoir la tuberculose, à cause de leurs symptômes. Étude 4 démontre les difficultés de détecter les souches de M. tuberculosis avec une faible résistance contre ethambutol et streptomycine en utilisant l’essai MODS avec les concentrations de drogue présentement recommandées pour un milieu de culture. Cependant, l’utilité diagnostique de MODS peut être améliorée ; modifier les concentrations critiques et utiliser deux plaques et non une, pour des tests réguliers. Conclusion: Nos études soulèvent la nécessité d’améliorer le diagnostic et le traitement de la tuberculose parmi les patients atteints du SIDA, en particulier ceux qui vivent dans des régions avec moins de ressources. Par ailleurs, nos résultats font ressortir les effets indirects que les soins de santé ont sur les patients infectés par le VIH et qu’ils peuvent avoir sur le développement de la tuberculose.

Exploring the neural entrainment to musical rhythms and meter : a steady-state evoked potential approach

Thèse de doctorat réalisé en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain, Belgique (Faculté de médecine, Institut de Neuroscience)

Nonlinear Dynamics of Semiconductor LasersControl and Synchronization of Chaos:

Nonlinear dynamics of laser systems has become an interesting area of research in recent times. Lasers are good examples of nonlinear dissipative systems showing many kinds of nonlinear phenomena such as chaos, multistability and quasiperiodicity. The study of these phenomena in lasers has fundamental scientific importance since the investigations on these effects reveal many interesting features of nonlinear effects in practical systems. Further, the understanding of the instabilities in lasers is helpful in detecting and controlling such effects. Chaos is one of the most interesting phenomena shown by nonlinear deterministic systems. It is found that, like many nonlinear dissipative systems, lasers also show chaos for certain ranges of parameters. Many investigations on laser chaos have been done in the last two decades. The earlier studies in this field were concentrated on the dynamical aspects of laser chaos. However, recent developments in this area mainly belong to the control and synchronization of chaos. A number of attempts have been reported in controlling or suppressing chaos in lasers since lasers are the practical systems aimed to operated in stable or periodic mode. On the other hand, laser chaos has been found to be applicable in high speed secure communication based on synchronization of chaos. Thus, chaos in laser systems has technological importance also. Semiconductor lasers are most applicable in the fields of optical communications among various kinds of laser due to many reasons such as their compactness, reliability modest cost and the opportunity of direct current modulation. They show chaos and other instabilities under various physical conditions such as direct modulation and optical or optoelectronic feedback. It is desirable for semiconductor lasers to have stable and regular operation. Thus, the understanding of chaos and other instabilities in semiconductor lasers and their xi control is highly important in photonics. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated. A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor laser

Nonlinear Dynamics of Multiple Quantum Well Lasers: Chaos and Multistability

This thesis presents analytical and numerical results from studies based on the multiple quantum well laser rate equation model. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated.A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor lasers.

Dynamics of two coupled chaotic multimode Nd:YAG lasers with intracavity frequency doubling crystal

The effect of coupling two chaotic Nd:YAG lasers with intracavity KTP crystal for frequency doubling is numerically studied for the case of the laser operating in three longitudinal modes. It is seen that the system goes from chaotic to periodic and then to steady state as the coupling constant is increased. The intensity time series and phase diagrams are drawn and the Lyapunov characteristic exponent is calculated to characterize the chaotic and periodic regions.

Dynamics of the logistic map under discrete parametric perturbation

By introducing a periodic perturbation in the control parameter of the logistic map we have investigated the period locking properties of the map. The map then gets locked onto the periodicity of the perturbation for a wide range of values of the parameter and hence can lead to a control of the chaotic regime. This parametrically perturbed map exhibits many other interesting features like the presence of bubble structures, repeated reappearance of periodic cycles beyond the chaotic regime, dependence of the escape parameter on the seed value and also on the initial phase of the perturbation etc.

Dynamics of coupled Josephson junctions under the influence of applied fields

We investigate the effect of the phase difference of appliedfields on the dynamics of mutually coupledJosephsonjunctions. A phase difference between the appliedfields desynchronizes the system. It is found that though the amplitudes of the output voltage values are uncorrelated, a phase correlation is found to exist for small values of applied phase difference. The dynamics of the system is found to change from chaotic to periodic for certain values of phase difference. We report that by keeping the value of phase difference as π, the system continues to be in periodic motion for a wide range of values of system parameters. This result may find applications in devices like voltage standards, detectors, SQUIDS, etc., where chaos is least desired.

Phase effects on synchronization by dynamical relaying in delay-coupled systems

Synchronization in an array of mutually coupled systems with a finite time delay in coupling is studied using the Josephson junction as a model system. The sum of the transverse Lyapunov exponents is evaluated as a function of the parameters by linearizing the equation about the synchronization manifold. The dependence of synchronization on damping parameter, coupling constant, and time delay is studied numerically. The change in the dynamics of the system due to time delay and phase difference between the applied fields is studied. The case where a small frequency detuning between the applied fields is also discussed.