Entanglement universality of two-qubit X-states

We demonstrate that for every two-qubit state there is a X-counterpart, i.e., a corresponding two-qubit X-state of same spectrum and entanglement, as measured by concurrence, negativity or relative entropy of entanglement. By parametrizing the set of two-qubit X-states and a family of unitary transformations that preserve the sparse structure of a two-qubit X-state density matrix, we obtain the parametric form of a unitary transformation that converts arbitrary two-qubit states into their X-counterparts. Moreover, we provide a semi-analytic prescription on how to set the parameters of this unitary transformation in order to preserve concurrence or negativity. We also explicitly construct a set of X-state density matrices, parametrized by their purity and concurrence, whose elements are in one-to-one correspondence with the points of the concurrence versus purity (CP) diagram for generic two-qubit states. (C) 2014 Elsevier Inc. All rights reserved.

Towards higher precision and operational use of optical homodyne tomograms

We present the results of an operational use of experimentally measured optical tomograms to determine state characteristics (purity) avoiding any reconstruction of quasiprobabilities. We also develop a natural way how to estimate the errors (including both statistical and systematic ones) by an analysis of the experimental data themselves. Precision of the experiment can be increased by postselecting the data with minimal (systematic) errors. We demonstrate those techniques by considering coherent and photon-added coherent states measured via the time-domain improved homodyne detection. The operational use and precision of the data allowed us to check purity-dependent uncertainty relations and uncertainty relations for Shannon and Renyi entropies.

Quantum state tomography and quantum logical operations in a three qubits NMR quadrupolar system

In this work, we present an implementation of quantum logic gates and algorithms in a three effective qubits system, represented by a (I = 7/2) NMR quadrupolar nuclei. To implement these protocols we have used the strong modulating pulses (SMP) and the various stages of each implementation were verified by quantum state tomography (QST). The results for the computational base states, Toffolli logic gates, and Deutsch-Jozsa and Grover algorithms are presented here. Also, we discuss the difficulties and advantages of implementing such protocols using the SMP technique in quadrupolar systems.

The basic antioxidant structure for flavonoid derivatives

An antioxidant structure-activity study is carried out in this work with ten flavonoid compounds using quantum chemistry calculations with the functional of density theory method. According to the geometry obtained by using the B3LYP/6-31G(d) method, the HOMO, ionization potential, stabilization energies, and spin density distribution showed that the flavonol is the more antioxidant nucleus. The spin density contribution is determinant for the stability of the free radical. The number of resonance structures is related to the pi-type electron system. 3-hydroxyflavone is the basic antioxidant structure for the simplified flavonoids studied here. The electron abstraction is more favored in the molecules where ether group and 3-hydroxyl are present, nonetheless 2,3-double bond and carbonyl moiety are facultative.

Electronic and magnetic properties of SnO2/CrO2 thin superlattices

In this article, using first-principles electronic structure calculations within the spin density functional theory, alternated magnetic and non-magnetic layers of rutile-CrO2 and rutile-SnO2 respectively, in a (CrO2) n (SnO2) n superlattice (SL) configuration, with n being the number of monolayers which are considered equal to 1, 2, ..., 10 are studied. A half-metallic behavior is observed for the (CrO2) n (SnO2) n SLs for all values of n. The ground state is found to be FM with a magnetic moment of 2 μB per chromium atom, and this result does not depend on the number of monolayers n. As the FM rutile-CrO2 is unstable at ambient temperature, and known to be stabilized when on top of SnO2, the authors suggest that (CrO2) n (SnO2) n SLs may be applied to spintronic technologies since they provide efficient spin-polarized carriers.

Aufbau und Inbetriebnahme eines Protonen-Polarimeters an MAMI und Messung der Proton-Polarisation in der Reaktion p (e,e'p) pi 0 in paralleler Kinematik im Bereich der Delta(1232)-Resonanz

Das Detektorsystem des Spektrometers Ader Drei-Spektrometer-Anlage am MainzerElektronenbeschleuniger MAMI wurde im Rahmen dieser Arbeitum ein Fokalebenen-Proton-Polarimeter (FPP) ergänzt.Dazu wurden zwei Horizontale Doppeldriftkammern entworfenund zusammen mit einem Kohlenstoffanalysator hinter derFokalebene des Spektrometers aufgebaut.Zur Berechnung der Spin-Präzession in den inhomogenenMagnetfeldern des Spektrometers wurde das Programm QSPINerstellt und damit eine Spin-Transfer-Matrix (STM) erzeugt,mit der über eine Fitprozedur die Polarisationskomponentender Protonen in der Streuebene an die im FPP gemessenenangepaßt werden können.Mit elastischen Elektron-Proton-Streuexperimenten wurdenfalsche Asymmetrien im FPP untersucht, die berechnete STMbestätigt, die inklusive Proton-Kohlenstoff-Analysierstärkeauf einen größeren Streuwinkelbereich erweitert und dasVerhältnis zwischen dem elektrischen und dem magnetischenSachs-Formfaktor des Protons gemessen.Zur Untersuchung der Coulomb-Quadrupol-Übergangsamplitudebei der Anregung des Nukleons zur Delta(1232)-Resonanzwurden in einem Pion-Elektroproduktions-Experiment am Protonmit dem FPP die Komponenten der Polarisation derRückstoßprotonen in paralleler Kinematik gemessen.

Selektiver Nachweis von Uran-236 mittels hochauflösender Resonanzionisations-Massenspektrometrie

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung, den Aufbau und die Erprobung eines neuartigen lasermassenspektrometrischen Nachweises des Ultraspurenisotops 236U. Das Nuklid 236U wird vorwiegend in Kernreaktoren durch Neutroneneinfang aus 235U gebildet und dient damit als Schlüsselisotop zur Unterscheidung anthropogenen Urans von natürlichem Uran-Vorkommen. Mit seinem Nachweis wird die Untersuchung der Migration von Kernbrennstoff in der Umwelt und die Beantwortung kritischer Fragen in der nuklearen Forensik ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verfahren der hochauflösenden Resonanzionisations-Massenspektrometrie auf die Anforderungen des selektiven Nachweises von Uran-Isotopen angepasst. Wesentliche Schritte waren hierbei die Untersuchung einer effizienten Atomisation von Uran-Proben, die Identifikation atomarer und autoionisierender Zustände für eine resonante Anregungsleiter, die vollständige Spezifikation der Anregungsleiter für alle Uran-Isotope und schließlich die Umsetzung der Erkenntnisse in ein analytisches Messverfahren. Die optische Selektivität des Verfahrens konnte durch Dichtematrixrechnungen zu ca. 14 Größenordnungen abgeschätzt werden; die Nachweisgrenze des Verfahrens für das Isotopenverhältnis 236U / 238U ist dabei gegenwärtig durch Untergrund begrenzt und beträgt ca. 3 · 10−8. Mit diesen Spezifikationen konnte die Linearität und Präzision des Nachweisverfahrens über einen dynamischen Bereich von vier Größenordnungen nachgewiesen werden.

Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen mit der RI-CC2-Methode: Implementierung und Anwendung auf Triplett-Excimere

Die Themengebiete dieser Arbeit umfassen sowohl methodische Weiterentwicklungen im Rahmen der ab initio zweiter Ordnungsmethoden CC2 und ADC(2) als auch Anwendungen dieser Weiterentwick-lungen auf aktuelle Fragestellungen. Die methodischen Erweiterungen stehen dabei hauptsächlich im Zusammenhang mit Übergangsmomenten zwischen angeregten Zuständen. Durch die Implementie-rung der selbigen ist nun die Berechnung transienter Absorptionsspektren möglich. Die Anwendungen behandeln vorwiegend das Feld der organischen Halbleiter und deren photo-elektronische Eigen-schaften. Dabei spielen die bislang wenig erforschten Triplett-Excimere eine zentrale Rolle.rnDie Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurden in das Programmpaket TUR-BOMOLE implementiert. Dadurch wurde die Berechnung der Übergangsmomente zwischen Zustän-den gleicher Multiplizität (d.h. sowohl Singulett-Singulett- als auch Triplett-Triplett-Übergänge) und unterschiedlicher Multiplizität (also Singulett-Triplett-Übergänge) möglich. Als Erweiterung wurde durch ein Interface zum ORCA Programm die Berechnung von Spin-Orbit-Matrixelementen (SOMEs) implementiert. Des Weiteren kann man mit dieser Implementierung auch Übergänge in offenschaligen Systemen berechnen. Um den Speicherbedarf und die Rechenzeit möglichst gering zu halten wurde die resolution-of-the-identity (RI-) Näherung benutzt. Damit lässt sich der Speicherbedarf von O(N4) auf O(N3) reduzieren, da die mit O(N4) skalierenden Größen (z. B. die T2-Amplituden) sehr effizient aus RI-Intermediaten berechnet werden können und daher nicht abgespeichert werden müssen. Dadurch wird eine Berechnung für mittelgroße Moleküle (ca. 20-50 Atome) mit einer angemessenen Basis möglich.rnDie Genauigkeit der Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurde für einen Testsatz kleiner Moleküle sowie für ausgewählte größere organische Moleküle getestet. Dabei stellte sich her-aus, dass der Fehler der RI-Näherung sehr klein ist. Die Vorhersage der transienten Spektren mit CC2 bzw. ADC(2) birgt allerdings ein Problem, da diese Methoden solche Zustände nur sehr unzureichend beschreiben, welche hauptsächlich durch zweifach-Anregungen bezüglich der Referenzdeterminante erzeugt werden. Dies ist für die Spektren aus dem angeregten Zustand relevant, da Übergänge zu diesen Zuständen energetisch zugänglich und erlaubt sein können. Ein Beispiel dafür wird anhand eines Singulett-Singulett-Spektrums in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Für die Übergänge zwischen Triplettzuständen ist dies allerdings weniger problematisch, da die energetisch niedrigsten Doppelan-regungen geschlossenschalig sind und daher für Tripletts nicht auftreten.rnVon besonderem Interesse für diese Arbeit ist die Bildung von Excimeren im angeregten Triplettzu-stand. Diese können aufgrund starker Wechselwirkungen zwischen den π-Elektronensystemen großer organischer Moleküle auftreten, wie sie zum Beispiel als organische Halbleiter in organischen Leucht-dioden eingesetzt werden. Dabei können die Excimere die photo-elktronischen Eigenschaften dieser Substanzen signifikant beeinflussen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher zwei solcher Sys-teme untersucht, [3.3](4,4’)Biphenylophan und das Naphthalin-Dimer. Hierzu wurden die transienten Anregungsspektren aus dem ersten angeregten Triplettzustand berechnet und diese Ergebnisse für die Interpretation der experimentellen Spektren herangezogen. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentellen Spektren konnte gezeigt werden, dass es für eine koplanare Anordnung der beiden Monomere zu einer starken Kopplung zwischen lokal angereg-ten und charge-transfer Zuständen kommt. Diese Kopplung resultiert in einer signifikanten energeti-schen Absenkung des ersten angeregten Zustandes und zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Monomereinheiten. Dabei ist der angeregte Zustand über beide Monomere delokalisiert. Die star-ke Kopplung tritt bei einem intermolekularen Abstand ≤4 Å auf, was einem typischen Abstand in orga-nischen Halbleitern entspricht. In diesem Bereich kann man zur Berechnung dieser Systeme nicht auf die Förster-Dexter-Theorie zurückgreifen, da diese nur für den Grenzfall der schwachen Kopplung gültig ist.

Parallelizzazione e rinormalizzazione numerica

I processori multi core stanno cambiando lo sviluppo dei software in tutti i settori dell'informatica poiché offrono prestazioni più elevate con un consumo energetico più basso. Abbiamo quindi la possibilità di una computazione realmente parallela, distribuita tra i diversi core del processore. Uno standard per la programmazione multithreading è sicuramente OpenMP, il quale si propone di fornire direttive semplici e chiare per lo sviluppo di programmi su sistemi a memoria condivisa, fornendo un controllo completo sulla parallelizzazione. Nella fisica moderna spesso vengono utilizzate simulazioni al computer di sistemi con alti livelli di complessità computazionale. Si ottimizzerà un software che utilizza l'algoritmo DMRG (Density Matrix Renormalization Group), un algoritmo che consente di studiare reticoli lineari di sistemi a molti corpi, al fine di renderlo più veloce nei calcoli cercando di sfruttare al meglio i core del processore. Per fare ciò verrà utilizzata l'API OpenMP, che ci permetterà in modo poco invasivo di parallelizzare l'algoritmo rendendo così più veloce l'esecuzione su architetture multi core.

Novel algorithms for electronic structure based molecular dynamics with linear system-size scaling

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Verbesserung von linear skalierenden Algorithmen für Elektronenstruktur basierte Molekulardynamik. Molekulardynamik ist eine Methode zur Computersimulation des komplexen Zusammenspiels zwischen Atomen und Molekülen bei endlicher Temperatur. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist ihre hohe Genauigkeit und Vorhersagekraft. Allerdings verhindert der Rechenaufwand, welcher grundsätzlich kubisch mit der Anzahl der Atome skaliert, die Anwendung auf große Systeme und lange Zeitskalen. Ausgehend von einem neuen Formalismus, basierend auf dem großkanonischen Potential und einer Faktorisierung der Dichtematrix, wird die Diagonalisierung der entsprechenden Hamiltonmatrix vermieden. Dieser nutzt aus, dass die Hamilton- und die Dichtematrix aufgrund von Lokalisierung dünn besetzt sind. Das reduziert den Rechenaufwand so, dass er linear mit der Systemgröße skaliert. Um seine Effizienz zu demonstrieren, wird der daraus entstehende Algorithmus auf ein System mit flüssigem Methan angewandt, das extremem Druck (etwa 100 GPa) und extremer Temperatur (2000 - 8000 K) ausgesetzt ist. In der Simulation dissoziiert Methan bei Temperaturen oberhalb von 4000 K. Die Bildung von sp²-gebundenem polymerischen Kohlenstoff wird beobachtet. Die Simulationen liefern keinen Hinweis auf die Entstehung von Diamant und wirken sich daher auf die bisherigen Planetenmodelle von Neptun und Uranus aus. Da das Umgehen der Diagonalisierung der Hamiltonmatrix die Inversion von Matrizen mit sich bringt, wird zusätzlich das Problem behandelt, eine (inverse) p-te Wurzel einer gegebenen Matrix zu berechnen. Dies resultiert in einer neuen Formel für symmetrisch positiv definite Matrizen. Sie verallgemeinert die Newton-Schulz Iteration, Altmans Formel für beschränkte und nicht singuläre Operatoren und Newtons Methode zur Berechnung von Nullstellen von Funktionen. Der Nachweis wird erbracht, dass die Konvergenzordnung immer mindestens quadratisch ist und adaptives Anpassen eines Parameters q in allen Fällen zu besseren Ergebnissen führt.

Diagenetic alteration of organic matter in DSDP Leg 57 Holes

I analyzed Leg 57 sediments organogeochemically and spectroscopically. Organic carbon and extractable organic matter prevail from the Pliocene to the Miocene. Humic acids occur widely from the Pleistocene to the lower Miocene and one portion of the Oligocene. The absence of humic acids in Oligocene and Cretaceous samples suggests that humic acids had changed to kerogen. Visible spectroscopic data reveal that humic acids in this study have a low degree of condensed aromatic-ring system, which is a feature of anaerobic conditions during deposition, and that chlorophyll derivatives that had at first combined with humic acids moved to the solvent- soluble fraction during diagenesis. The elemental compositions of humic acids show high H/C and O/C ratios, which seem appropriate to a stage before transformation to kerogen. The relation between the linewidths and g-values on the electron spin resonance data indicates that the free radicals in humic acids are quite different from those in kerogen. The low spin concentrations of kerogen and the yields of humic acids up to the lower Miocene demonstrate that organic matter in these sediments is immature. The foregoing indicate the necessity to isolate humic acids even in ancient rocks in the study of kerogen.

Organic geochemistry of sediments of the Gulf of California

The effects of intrusive thermal stress have been studied on a number of Pleistocene sediment samples obtained from Leg 64 of the DSDP-IPOD program in the Gulf of California. Samples were selected from Sites 477, 478 and 481 where the organic matter was subjected to thermal stress from sill intrusions. For comparison purposes, samples from Sites 474 and 479 were selected as representative of unaltered material. The GC and GC-MS data show that lipids of the thermally unaltered samples were derived from microbial and terrestrial higher-plant detritus. Samples from sill proximities were found to contain thermally-derived distillates and those adjacent to sills contained essentially no lipids. Curie point pyrolysis combined with GC and GC-MS was used to show that kerogens from the unaltered samples reflected their predominantly autochthonous microbial origin. Pyrograms of the altered kerogens were much less complex than the unaltered samples, reflecting the thermal effects. The kerogens adjacent to the sills produce little or no pyrolysis products since these intrusions into unconsolidated, wet sediments resulted in in situ pyrolysis of the organic matter. Examination of the kerogens by ESR showed that spin density and line width pass through a maximum during the course of alteration but ESR g-values show no correlation with maturity. Stable carbon isotope (d13C) values of kerogens decrease by 1-1.5 per mil near the sills at Sites 477 and 481 and the atomic N/C decreases slightly with proximity to a smaller sill at Site 478. Differences in maturation behavior between Site 477 and 481 and Site 478 are attributed to dissimilarities in thermal stress and to chemical and isotopic heterogeneity of Guaymas Basin protokerogen.

Excitonic couplings and electronic coherence in bridged naphthalene dimers

The electronic excitations of naphthalene and a family of bridged naphthalene dimers are calculated and analyzed by using the Collective Electronic Oscillator method combined with the oblique Lanczos algorithm. All experimentally observed trends in absorption profiles and radiative lifetimes are reproduced. Each electronic excitation is linked to the corresponding real-space transition density matrix, which represents the motions of electrons and holes created in the molecule by photon absorption. Two-dimensional plots of these matrices help visualize the degree of exciton localization and explain the dependence of the electronic interaction between chromophores on their separation.

Natural abundance solid-state carbon NMR studies of photosynthetic reaction centers with photoinduced polarization.

Solid-state NMR spectra of natural abundance 13C in reaction centers from photosynthetic bacteria Rhodobacter sphaeroides R-26 was measured. When the quinone acceptors were removed and continuous visible illumination of the sample was provided, exceptionally strong nuclear spin polarization was observed in NMR lines with chemical shifts resembling those of the aromatic carbons in bacteriochlorophyll and bacteriopheophytin. The observation of spin polarized 15N nuclei in bacteriochlorophyll and bacteriopheophytin was previously demonstrated with nonspecifically 15N-labeled reaction centers. Both the carbon and the nitrogen NMR studies indicate that the polarization is developed on species that carry unpaired electrons in the early electron transfer steps, including the bacteriochlorophyll dimer donor P860 and probably the bacteriopheophytin acceptor. I. Both enhanced-absorptive and emissive polarization were seen in the carbon spectrum; most lines were absorptive but the methine carbons of the porphyrin ring (alpha, beta, gamma, ) exhibited emissive polarization. The change in the sign of the hyperfine coupling at these sites indicates the existence of nodes in the spin density distribution on the tetrapyrrole cofactors flanking each methine carbon bridge.