Interacting single atoms with nanophotonics for chip-integrated quantum networks

Underlying matter and light are their building blocks of tiny atoms and photons. The ability to control and utilize matter-light interactions down to the elementary single atom and photon level at the nano-scale opens up exciting studies at the frontiers of science with applications in medicine, energy, and information technology. Of these, an intriguing front is the development of quantum networks where N >> 1 single-atom nodes are coherently linked by single photons, forming a collective quantum entity potentially capable of performing quantum computations and simulations. Here, a promising approach is to use optical cavities within the setting of cavity quantum electrodynamics (QED). However, since its first realization in 1992 by Kimble et al., current proof-of-principle experiments have involved just one or two conventional cavities. To move beyond to N >> 1 nodes, in this thesis we investigate a platform born from the marriage of cavity QED and nanophotonics, where single atoms at ~100 nm near the surfaces of lithographically fabricated dielectric photonic devices can strongly interact with single photons, on a chip. Particularly, we experimentally investigate three main types of devices: microtoroidal optical cavities, optical nanofibers, and nanophotonic crystal based structures. With a microtoroidal cavity, we realized a robust and efficient photon router where single photons are extracted from an incident coherent state of light and redirected to a separate output with high efficiency. We achieved strong single atom-photon coupling with atoms located ~100 nm near the surface of a microtoroid, which revealed important aspects in the atom dynamics and QED of these systems including atom-surface interaction effects. We present a method to achieve state-insensitive atom trapping near optical nanofibers, critical in nanophotonic systems where electromagnetic fields are tightly confined. We developed a system that fabricates high quality nanofibers with high controllability, with which we experimentally demonstrate a state-insensitive atom trap. We present initial investigations on nanophotonic crystal based structures as a platform for strong atom-photon interactions. The experimental advances and theoretical investigations carried out in this thesis provide a framework for and open the door to strong single atom-photon interactions using nanophotonics for chip-integrated quantum networks.

Ultrafast transient ring-shaped population grating

We demonstrate an ultrafast transient, ring-shaped population grating induced by an ultrashort hollow Gaussian laser bullet by solving the three-dimensional full-wave Maxwell-Bloch equations. Through adjusting the beam waist and the area of the pulse, we can control the number of lines and the period of the grating. Based on this coherent control scheme, a door to produce gratings with complex transverse structure is opened.

The long road of climate negotiations: From Kyoto to Paris stopping over in Doha

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Future of earthquake early warning : quantifying uncertainty and making fast automated decisions for applications

Earthquake early warning (EEW) systems have been rapidly developing over the past decade. Japan Meteorological Agency (JMA) has an EEW system that was operating during the 2011 M9 Tohoku earthquake in Japan, and this increased the awareness of EEW systems around the world. While longer-time earthquake prediction still faces many challenges to be practical, the availability of shorter-time EEW opens up a new door for earthquake loss mitigation. After an earthquake fault begins rupturing, an EEW system utilizes the first few seconds of recorded seismic waveform data to quickly predict the hypocenter location, magnitude, origin time and the expected shaking intensity level around the region. This early warning information is broadcast to different sites before the strong shaking arrives. The warning lead time of such a system is short, typically a few seconds to a minute or so, and the information is uncertain. These factors limit human intervention to activate mitigation actions and this must be addressed for engineering applications of EEW. This study applies a Bayesian probabilistic approach along with machine learning techniques and decision theories from economics to improve different aspects of EEW operation, including extending it to engineering applications.

Existing EEW systems are often based on a deterministic approach. Often, they assume that only a single event occurs within a short period of time, which led to many false alarms after the Tohoku earthquake in Japan. This study develops a probability-based EEW algorithm based on an existing deterministic model to extend the EEW system to the case of concurrent events, which are often observed during the aftershock sequence after a large earthquake.

To overcome the challenge of uncertain information and short lead time of EEW, this study also develops an earthquake probability-based automated decision-making (ePAD) framework to make robust decision for EEW mitigation applications. A cost-benefit model that can capture the uncertainties in EEW information and the decision process is used. This approach is called the Performance-Based Earthquake Early Warning, which is based on the PEER Performance-Based Earthquake Engineering method. Use of surrogate models is suggested to improve computational efficiency. Also, new models are proposed to add the influence of lead time into the cost-benefit analysis. For example, a value of information model is used to quantify the potential value of delaying the activation of a mitigation action for a possible reduction of the uncertainty of EEW information in the next update. Two practical examples, evacuation alert and elevator control, are studied to illustrate the ePAD framework. Potential advanced EEW applications, such as the case of multiple-action decisions and the synergy of EEW and structural health monitoring systems, are also discussed.

Avaliação prospectiva longitudinal da qualidade de vida de adolescentes submetidos a tratamento ortodôntico

A literatura científica ainda não é consistente em relação aos benefícios psicossociais proporcionados pelo tratamento ortodôntico. Os objetivos deste estudo foram conhecer as alterações na qualidade de vida relacionada com a saúde bucal (OHRQoL) e com a autopercepção estética de adolescentes brasileiros de 12 a 15 anos de idade tratados ortodonticamente, durante dois anos de avaliação prospectiva longitudinal. A amostra foi constituída de 318 jovens: 92 que iniciaram tratamento ortodôntico em uma instituição de ensino (grupo orto), e 226 indivíduos não tratados: 124 que procuraram avaliação ortodôntica na mesma instituição e não receberam tratamento durante os dois anos em que foram acompanhados na pesquisa, pois estavam aguardando uma vaga na lista de espera para iniciar o tratamento (grupo de espera), e 102 que nunca buscaram tratamento ortodôntico e que estudam em uma escola vizinha à instituição (grupo escola). A qualidade de vida foi mensurada utilizando o OHIP-14. A necessidade normativa e estética de tratamento ortodôntico foi avaliada com o índice IOTN, o nível social com o Critério de Classificação Econômica Brasil e a saúde dental com o índice CPO-D. As avaliações foram repetidas em três momentos: no exame inicial (T1); um ano depois do início do tratamento ortodôntico, para o grupo orto, e um ano após o exame inicial, para os grupos de espera e escola (T2); e dois anos depois do início do tratamento para o grupo orto, e dois anos depois do exame inicial para os grupos de espera e escola (T3). O tratamento ortodôntico reduziu significativamente os escores de OHRQoL: as médias do escores tiveram uma redução de 10,4 para 9,2 e para 1,6 entre a primeira, segunda e terceira avaliações (p<0,001). A autopercepção estética se comportou de maneira similar, com uma redução progressiva e significativa (p<0,001) nos pacientes tratados, que também tiveram melhora significativa na gravidade da má oclusão (p<0,001). Porém, os indivíduos que removeram o aparelho tiveram OHRQoL e autopercepção estética significativamente melhores em relação aos pacientes que não finalizaram o tratamento no período de dois anos. Os adolescentes do grupo de espera tiveram significativa piora na OHRQoL, que sofreu um aumento de 10,8 para 12,0 da primeira para a terceira avaliações (p<0,001), o que também ocorreu na autoavaliação estética, que sofreu um aumento significativo (p<0,001). Por outro lado, os adolescentes do grupo escola não tiveram nenhuma alteração desses índices nos períodos de avaliação, apresentando uma tendência estacionária para OHRQoL (p=0,34) e para a autopercepção estética (p=0,09). A gravidade da má oclusão não foi alterada nos grupos não tratados durante os dois anos de avaliação e o CPO-D não teve alteração significativa para nenhum dos três grupos. Foi possível concluir que o tratamento ortodôntico melhorou significativamente a qualidade de vida relacionada com a saúde bucal e a autopercepção estética dos adolescentes brasileiros submetidos a tratamento.

Criterios e indicadores para el diseño sostenible de viviendas

[ES]Este trabajo tiene como objetivo analizar los distintos criterios empleados en el diseño sostenible de viviendas mediante el uso de indicadores. Para lograr un enfoque más práctico, se ha partido del estudio del proyecto de construcción de una vivienda de tipo Passivhaus en Junguitu, localidad próxima a Vitoria-­‐Gasteiz. Dicho proyecto se ha dividido en once puntos: orientación del edificio, compacidad, aislamiento térmico, inercia térmica, puentes térmicos, estanqueidad al aire, sistema de ventilación, sistema de calefacción, ventanas, puerta entrada a vivienda y instalación eléctrica. En cada uno de ellos se han analizado las distintas soluciones de instalaciones y los criterios establecidos para la obtención del sistema que más se ajusta a las necesidades del edificio.

Nanofabrication for On-Chip Optical Levitation, Atom-Trapping, and Superconducting Quantum Circuits

Researchers have spent decades refining and improving their methods for fabricating smaller, finer-tuned, higher-quality nanoscale optical elements with the goal of making more sensitive and accurate measurements of the world around them using optics. Quantum optics has been a well-established tool of choice in making these increasingly sensitive measurements which have repeatedly pushed the limits on the accuracy of measurement set forth by quantum mechanics. A recent development in quantum optics has been a creative integration of robust, high-quality, and well-established macroscopic experimental systems with highly-engineerable on-chip nanoscale oscillators fabricated in cleanrooms. However, merging large systems with nanoscale oscillators often require them to have extremely high aspect-ratios, which make them extremely delicate and difficult to fabricate with an "experimentally reasonable" repeatability, yield and high quality. In this work we give an overview of our research, which focused on microscopic oscillators which are coupled with macroscopic optical cavities towards the goal of cooling them to their motional ground state in room temperature environments. The quality factor of a mechanical resonator is an important figure of merit for various sensing applications and observing quantum behavior. We demonstrated a technique for pushing the quality factor of a micromechanical resonator beyond conventional material and fabrication limits by using an optical field to stiffen and trap a particular motional mode of a nanoscale oscillator. Optical forces increase the oscillation frequency by storing most of the mechanical energy in a nearly loss-less optical potential, thereby strongly diluting the effects of material dissipation. By placing a 130 nm thick SiO₂ pendulum in an optical standing wave, we achieve an increase in the pendulum center-of-mass frequency from 6.2 to 145 kHz. The corresponding quality factor increases 50-fold from its intrinsic value to a final value of Q_m = 5.8(1.1) x 10⁵, representing more than an order of magnitude improvement over the conventional limits of SiO₂ for a pendulum geometry. Our technique may enable new opportunities for mechanical sensing and facilitate observations of quantum behavior in this class of mechanical systems. We then give a detailed overview of the techniques used to produce high-aspect-ratio nanostructures with applications in a wide range of quantum optics experiments. The ability to fabricate such nanodevices with high precision opens the door to a vast array of experiments which integrate macroscopic optical setups with lithographically engineered nanodevices. Coupled with atom-trapping experiments in the Kimble Lab, we use these techniques to realize a new waveguide chip designed to address ultra-cold atoms along lithographically patterned nanobeams which have large atom-photon coupling and near 4π Steradian optical access for cooling and trapping atoms. We describe a fully integrated and scalable design where cold atoms are spatially overlapped with the nanostring cavities in order to observe a resonant optical depth of d₀ ≈ 0.15. The nanodevice illuminates new possibilities for integrating atoms into photonic circuits and engineering quantum states of atoms and light on a microscopic scale. We then describe our work with superconducting microwave resonators coupled to a phononic cavity towards the goal of building an integrated device for quantum-limited microwave-to-optical wavelength conversion. We give an overview of our characterizations of several types of substrates for fabricating a low-loss high-frequency electromechanical system. We describe our electromechanical system fabricated on a Si₃N₄ membrane which consists of a 12 GHz superconducting LC resonator coupled capacitively to the high frequency localized modes of a phononic nanobeam. Using our suspended membrane geometry we isolate our system from substrates with significant loss tangents, drastically reducing the parasitic capacitance of our superconducting circuit to ≈ 2.5$ fF. This opens up a number of possibilities in making a new class of low-loss high-frequency electromechanics with relatively large electromechanical coupling. We present our substrate studies, fabrication methods, and device characterization.

Optomechanical Inertial Sensors and Feedback Cooling

The optomechanical interaction is an extremely powerful tool with which to measure mechanical motion. The displacement resolution of chip-scale optomechanical systems has been measured on the order of 1⁄10th of a proton radius. So strong is this optomechanical interaction that it has recently been used to remove almost all thermal noise from a mechanical resonator and observe its quantum ground-state of motion starting from cryogenic temperatures.

In this work, chapter 1 describes the basic physics of the canonical optomechanical system, optical measurement techniques, and how the optomechanical interaction affects the coupled mechanical resonator. In chapter 2, we describe our techniques for realizing this canonical optomechanical system in a chip-scale form factor.

In chapter 3, we describe an experiment where we used radiation pressure feedback to cool a mesoscopic mechanical resonator near its quantum ground-state from room-temperature. We cooled the resonator from a room temperature phonon occupation of <n> = 6.5 million to an occupation of <n> = 66, which means the resonator is in its ground state approximately 2% of the time, while being coupled to a room-temperature thermal environment. At the time of this work, this is the closest a mesoscopic mechanical resonator has been to its ground-state of motion at room temperature, and this work begins to open the door to room-temperature quantum control of mechanical objects.

Chapter 4 begins with the realization that the displacement resolutions achieved by optomechanical systems can surpass those of conventional MEMS sensors by an order of magnitude or more. This provides the motivation to develop and calibrate an optomechanical accelerometer with a resolution of approximately 10 micro-g/rt-Hz over a bandwidth of approximately 30 kHz. In chapter 5, we improve upon the performance and practicality of this sensor by greatly increasing the test mass size, investigating and reducing low-frequency noise, and incorporating more robust optical coupling techniques and capacitive wavelength tuning. Finally, in chapter 6 we present our progress towards developing another optomechanical inertial sensor - a gyroscope.

"A colaboração lhe bate à porta...": visitadoras sociais e a política de normalização de corpos e mentes de operários e operárias, de uma indústria têxtil no Rio de Janeiro (1944-1953)

A questão central desta Tese diz respeito à emergência de uma singular modalidade de assistência social no campo das políticas públicas e sociais no pós 1930, direcionada aos trabalhadores assalariados da área urbana e suas famílias. A produção discursiva sobre as condições de vida e de trabalho do operariado, no bojo das novas teorias científicas e enunciados médicos-sanitários reivindicava uma organização geral da sociedade. Afirmava-se a urgência de uma intervenção política estatal de cunho preventivo e coercitivo no modo de vida desses indivíduos em sociedade. O que se colocava até então como um caso de polícia ou de caridade passa a ser nomeado como questão social legitimando novas formas de exercício de poder e a conformação do Estado em suas novas atribuições de promotor da justiça social. Nesta pesquisa de doutoramento investiguei o exercício dessas estratégias de poder nas intervenções realizadas pelas visitadoras sociais no cotidiano de um grupo de operários e operárias da Cia (têxtil) Nova América na cidade do Rio de Janeiro, objetivando pela investigação minuciosa dessas práticas relativamente microscópicas iluminar uma rede muito maior de ardis e disputas de poder. As ações de ordenação do dia a dia desse operariado implicava a fiscalização do emprego dos serviços sociais disponibilizados pelo Estado e empresa, o monitoramento do uso do tempo e dos espaços, e finalmente a doutrinação em valores e práticas instituídas em nome da preservação e otimização da vida. Tais intervenções aconteciam em diferentes espaços: no interior da Fábrica, na vila operária Cidade Jardim Nova América e nas dependências da Associação Atlética Nova América e ficaram registradas em textos e imagens no boletim mensal da Fábrica. Esses periódicos constituem o principal corpus documental formado por sessenta e seis periódicos que abrangem o período entre novembro de 1944 e dezembro de 1953: Boletim Nova América - Órgão da Associação Atlética Nova América. Acionei como instrumento teórico-metodológico as reflexões do pensador francês Michel Foucault sobre biopolítica, ou a estatização da vida nos liames do biopoder enquanto gestão da vida em sua plenitude ocupando-se de não apenas garantir o corpo dócil e útil pelas técnicas disciplinares, mas, principalmente, assegurar no investimento sobre o corpo e mente desses indivíduos o saber normalizador para melhor manejá-los. Nesse sentido, no campo das políticas sociais, tanto estatais quanto empresariais, utilizei a noção de poder pastoral, atualizada por Foucault, para identificar o modo como em nome e pelo bem dos assistidos se constituiu um eficiente dispositivo de poder operando em intervenções e controle da vida das pessoas: as visitadoras sociais.

Simulación de la estampación de una pieza de la estructura de un automóvil.

[ES]En este trabajo de fin de grado se tratará de optimizar los resultados de la simulación de estampación de la parte interior de la puerta de un automóvil propuesta por el programa de simulación Pam Stamp. Para llevar a cabo esta tarea se variarán diferentes parámetros los cuales serán expuestos posteriormente mediante el programa Pam Stamp. Con el fin de obtener una pieza de mayor calidad para llevar a cabo sus funciones; se expondrán tres soluciones respondiendo cada una a diferentes solicitaciones o circunstancias.

Auto karrozeria pieza baten elementu finituen bidezko konformaketaren simulazioa.

[EN]The aim of this project is to show how important PamStamp program might be when engineers have to design different parts of a car without producing them. On the one hand, they do not have to waste time producing different elements in those enormous stamping presses. In this case, designing the door of a car with this program they could calculate in a very accurately way the force that the press have to do to obtain our final product. In this way employees do not have to use steel sheets every time they want to change small parameters in the press such as the position of the brake or a little angle of the die. All they need to carry out this project is a computer, with this tool and some licenses we could save thousands of euros and avoid paying for expensive materials every time we want to test something in the project.

Panorama das internações psiquiátricas de longa permanência e práticas de desinstitucionalização na cidade do Rio de Janeiro

Esta dissertação se dirigiu ao estudo sobre as internações psiquiátricas de pacientes em longa permanência e as ações voltadas aos processos de desinstitucionalização desta clientela na cidade do Rio de Janeiro. Ao se considerar que as práticas na saúde mental, bem como na saúde geral, estiveram relacionadas aos contextos sociais, econômicos e políticos do país, compreende-se que a existência da situação das internações de longa permanência dentro de hospitais psiquiátricos públicos e clínicas conveniadas têm relação direta com as políticas de saúde que vigoraram ao longo do tempo no país e com o trabalho específico sobre este campo na própria cidade. Assim também há a consideração de que a Reforma Psiquiátrica e suas inovações conceituais também estiveram ligadas a um novo momento das políticas de saúde no país, onde se direcionava com o SUS pela saúde de acesso universal, descentralizada e hierarquizada, o que possibilitou grandes mudanças no cenário da assistência. Estudou-se nesta pesquisa, portanto, as ações de desinstitucionalização na cidade, tomando?se como uma das primeiras iniciativas de gestão a reorganização da assistência psiquiátrica pela implantação dos Pólos de Internação, numa estratégia de co-gestão do Ministério da Saúde e Inamps ainda na década de 80. Seguido a esta reorganização que culminou em maior regulação da porta de entrada das internações psiquiátricas e diminuição das internações nas clínicas conveniadas, o município teve sua entrada como gestor na saúde mental na cidade, como novas ações implementadas. Para pesquisa destas ações utilizou-se como metodologia entrevistas semi-estruturadas com pessoas que participaram das iniciativas de gestão no município do Rio de Janeiro e análise documental de Relatórios de Gestão publicados pela Coordenação Municipal de Saúde Mental. No estudo, destacou-se a potência do serviço público enquanto direcionador de ações na saúde e ainda, a importância do trabalho de desconstrução do manicômio feito pelas internações psiquiátricas quando promovem restrições ao pensamento deste dispositivo como solução para problemas psiquiátricos e sociais de diversas ordens, e na orientação de descentralização como desmontagem do aparato manicomial pela lógica da atenção psicossocial.

Hekate, de deusa ctônica dos atenienses do período clássico à deusa da feitiçaria no imaginário social do Ocidente

Nosso eixo temático se desenvolve a partir do questionamento do epíteto de Deusa da Feitiçaria atribuído tardiamente à deidade grega Hekate. A partir do período Clássico em Atenas iniciaram-se críticas às práticas mágico-religiosas cujo objetivo era fazer mal ao inimigo; realizadas por indivíduos (mágoi - magos) os quais também sabiam utilizá-las para a cura, como o uso das phármaka (ervas). O desenvolvimento da Escola de Medicina Hipocrática, no período Clássico, e seus tratados médicos, se configuram como uma das críticas direcionadas aos mágoi e das divindades que evocavam em suas práticas mágicas. Um tratado em especial, Da Doença Sagrada, combate a divinização da epilepsia e as práticas curativas desta enfermidade através da persuasão dos deuses. Platão também teceu críticas aos que ofereciam seus serviços mágicos de porta em porta por uma pequena quantia. Acreditamos que a partir dessas críticas se desenvolveu no imaginário social ateniense a relação entre a deusa grega Hekate e a magia de fazer mal ao inimigo cuja permanência é observada nos dias atuais. Nosso arcabouço teórico constitui-se dos conceitos desenvolvidos pelo filósofo polonês Bronislaw Baczko no verbete imaginação social na Enciclopedia Einaudi.

Variation in trawl geometry due to unequal warp length

Survey standardization procedures can reduce the variability in trawl catch efficiency thus producing more precise estimates of biomass. One such procedure, towing with equal amounts of trawl warp on both sides of the net, was experimentally investigated for its importance in determining optimal trawl geometry and for evaluating the effectiveness of the recent National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) national protocol on accurate measurement of trawl warps. This recent standard for measuring warp length requires that the difference between warp lengths can be no more than 4% of the distance between the otter doors measured along the bridles and footrope. Trawl performance data from repetitive towing with warp differentials of 0, 3, 5, 7, 9, 11, and 20 m were analyzed for their effect on three determinants of flatfish catch efficiency: footrope distance off-bottom, bridle length in contact with the bottom, and area swept by the net. Our results indicated that the distortion of the trawl caused by asymmetry in trawl warp length could have a negative inf luence on flatfish catch efficiency. At a difference of 7 m in warp length, the NOAA 4% threshold value for the 83112 Eastern survey trawl used in our study, we found no effect on the acous-tic-based measures of door spread, wing spread, and headrope height off-bottom. However, the sensitivity of the trawl to 7 m of warp offset could be seen as footrope distances off-bottom increased slightly (particularly in the center region of the net where flatfish escapement is highest), and as the width of the bridle path responsible for flatfish herding, together with the effective net width, was reduced. For this survey trawl, a NOAA threshold value of 4% should be considered a maximum. A more conservative value (less than 4%) would likely reduce potential bias in estimates of relative abundance caused by large differences in warp length approaching 7 m.

The effect of autotrawl systems on the performance of a survey trawl

Three aspects of a survey bottom trawl performance—1) trawl geometry (i.e., net spread, door spread, and headrope height); 2) footrope distance off-bottom; and 3) bridle distance off-bottom—were compared among hauls by using either of two autotrawl systems (equal tension and net symmetry) and hauls conducted with towing cables of equal length and locked winches. The effects of environmental conditions, vessel heave, crabbing (i.e., the difference between vessel heading and actual vessel course over ground), and bottom current on trawl performance with three trawling modes were investigated. Means and standard deviations of trawl geometry measures were not significantly different between autotrawl and locked-winch systems. Bottom trawls performed better with either autotrawl system as compared to trawling with locked winches by reducing the variance and increasing the symmetry of the footrope contact with the bottom. The equal tension autotrawl system was most effective in counteracting effects of environmental conditions on footrope bottom contact. Footrope bottom contact was most inf luenced by environmental conditions during tows with locked winches. Both of the autotrawl systems also reduced the variance and increased the symmetry of bridle bottom contact. Autotrawl systems proved to be effective in decreasing the effects of environmental factors on some aspects of trawl performance and, as a result, have the potential to reduce among-haul variance in catchability of survey trawls. Therefore, by incorporating an autotrawl system into standard survey procedures, precision of survey estimates of relative abundance