Experimental linear-optics simulation of multipartite non-locality in the ground state of a quantum Ising ring

Critical phenomena involve structural changes in the correlations of its constituents. Such changes can be reproduced and characterized in quantum simulators able to tackle medium-to-large-size systems. We demonstrate these concepts by engineering the ground state of a three-spin Ising ring by using a pair of entangled photons. The effect of a simulated magnetic field, leading to a critical modification of the correlations within the ring, is analysed by studying two- and three-spin entanglement. In particular, we connect the violation of a multipartite Bell inequality with the amount of tripartite entanglement in our ring.

Approximate credal network updating by linear programming with applications to decision making

Credal nets are probabilistic graphical models which extend Bayesian nets to cope with sets of distributions. An algorithm for approximate credal network updating is presented. The problem in its general formulation is a multilinear optimization task, which can be linearized by an appropriate rule for fixing all the local models apart from those of a single variable. This simple idea can be iterated and quickly leads to accurate inferences. A transformation is also derived to reduce decision making in credal networks based on the maximality criterion to updating. The decision task is proved to have the same complexity of standard inference, being NPPP-complete for general credal nets and NP-complete for polytrees. Similar results are derived for the E-admissibility criterion. Numerical experiments confirm a good performance of the method.

A self-learning teaching-learning based optimization for dynamic economic/environmental dispatch considering multiple plug-in electric vehicle loads

Economic and environmental load dispatch aims to determine the amount of electricity generated from power plants to meet load demand while minimizing fossil fuel costs and air pollution emissions subject to operational and licensing requirements. These two scheduling problems are commonly formulated with non-smooth cost functions respectively considering various effects and constraints, such as the valve point effect, power balance and ramp rate limits. The expected increase in plug-in electric vehicles is likely to see a significant impact on the power system due to high charging power consumption and significant uncertainty in charging times. In this paper, multiple electric vehicle charging profiles are comparatively integrated into a 24-hour load demand in an economic and environment dispatch model. Self-learning teaching-learning based optimization (TLBO) is employed to solve the non-convex non-linear dispatch problems. Numerical results on well-known benchmark functions, as well as test systems with different scales of generation units show the significance of the new scheduling method.

Investigation of Utilizing Single Surface Depressions in Optimization of NLF Aerofoil Design

An environment has been created for the optimisation of aerofoil profiles with inclusion of small surface features. For TS wave dominated flows, the paper examines the consequences of the addition of a depression on the aerodynamic optimisation of an NLF aerofoil, and describes the geometry definition fidelity and optimisation algorithm employed in the development process. The variables that define the depression for this optimisation investigation have been fixed, however a preliminary study is presented demonstrating the sensitivity of the flow to the depression characteristics. Solutions to the optimisation problem are then presented using both gradient-based and genetic algorithm techniques, and for accurate representation of the inclusion of small surface perturbations it is concluded that a global optimisation method is required for this type of aerofoil optimisation task due to the nature of the response surface generated. When dealing with surface features, changes in the transition onset are likely to be of a non-linear nature so it is highly critical to have an optimisation algorithm that is robust, suggesting that for this framework, gradient-based methods alone are not suited.

Optimization of singlet oxygen production from photosensitizer-incorporated, medically relevant hydrogels

Photodynamic therapy and photodynamic antimicrobial chemotherapy are widely used, but despite this, the relationships between fluence, wavelength of irradiation and singlet oxygen ((1) O2 ) production are poorly understood. To establish the relationships between these factors in medically relevant materials, the effect of fluence on (1) O2 production from a tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin (TMPyP)-incorporated 2-hydroxyethyl methacrylate: methyl methacrylate: methacrylic acid (HEMA: MMA:MAA) copolymer, a total energy of 50.48 J/cm(2) , was applied at varying illumination power, and times. (1) O2 production was characterized using anthracene-9,10-dipropionic acid, disodium salt (ADPA) using a recently described method. Using two light sources, a white LED array and a white halogen source, the LED array was found to produce less (1) O2 than the halogen source when the same power (over 500 - 600 nm) and time conditions were applied. Importantly, it showed that the longest wavelength Q band (590 nm) is primarily responsible for (1) O2 generation, and that a linear relationship exists between increasing power and time and the production of singlet oxygen. 

Approximating Credal Network Inferences by Linear Programming

An algorithm for approximate credal network updating is presented. The problem in its general formulation is a multilinear optimization task, which can be linearized by an appropriate rule for fixing all the local models apart from those of a single variable. This simple idea can be iterated and quickly leads to very accurate inferences. The approach can also be specialized to classification with credal networks based on the maximality criterion. A complexity analysis for both the problem and the algorithm is reported together with numerical experiments, which confirm the good performance of the method. While the inner approximation produced by the algorithm gives rise to a classifier which might return a subset of the optimal class set, preliminary empirical results suggest that the accuracy of the optimal class set is seldom affected by the approximate probabilities

A Constrained Optimization Approach to Dynamic State Estimation for Power Systems Including PMU and Missing Measurements.

In this brief, a hybrid filter algorithm is developed to deal with the state estimation (SE) problem for power systems by taking into account the impact from the phasor measurement units (PMUs). Our aim is to include PMU measurements when designing the dynamic state estimators for power systems with traditional measurements. Also, as data dropouts inevitably occur in the transmission channels of traditional measurements from the meters to the control center, the missing measurement phenomenon is also tackled in the state estimator design. In the framework of extended Kalman filter (EKF) algorithm, the PMU measurements are treated as inequality constraints on the states with the aid of the statistical criterion, and then the addressed SE problem becomes a constrained optimization one based on the probability-maximization method. The resulting constrained optimization problem is then solved using the particle swarm optimization algorithm together with the penalty function approach. The proposed algorithm is applied to estimate the states of the power systems with both traditional and PMU measurements in the presence of probabilistic data missing phenomenon. Extensive simulations are carried out on the IEEE 14-bus test system and it is shown that the proposed algorithm gives much improved estimation performances over the traditional EKF method.

Melt processing and properties of linear low density polyethylene-graphene nanoplatelet composites

Composites of Linear Low Density Polyethylene (LLDPE) and Graphene Nanoplatelets (GNPs) were processed using a twin screw extruder under different extrusion conditions. The effects of screw speed, feeder speed and GNP content on the electrical, thermal and mechanical properties of composites were investigated. The inclusion of GNPs in the matrix improved the thermal stability and conductivity by 2.7% and 43%, respectively. The electrical conductivity improved from 10−11 to 10−5 S/m at 150 rpm due to the high thermal stability of the GNPs and the formation of phonon and charge carrier networks in the polymer matrix. Higher extruder speeds result in a better distribution of the GNPs in the matrix and a significant increase in thermal stability and thermal conductivity. However, this effect is not significant for the electrical conductivity and tensile strength. The addition of GNPs increased the viscosity of the polymer, which will lead to higher processing power requirements. Increasing the extruder speed led to a reduction in viscosity, which is due to thermal degradation and/or chain scission. Thus, while high speeds result in better dispersions, the speed needs to be optimized to prevent detrimental impacts on the properties.

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Economic optimization of wind farms in function of the cost of energy produced

Esta tese apresenta um estudo sobre otimização económica de parques eólicos, com o objetivo de obter um algoritmo para otimização económica de parques eólicos através do custo da energia produzida. No estudo utilizou-se uma abordagem multidisciplinar. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquiteturas utilizadas nos parques eólicos. Bem como esquemas de funcionamento e gestão dos parques. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para cálculo dos custos da energia produzida, tendo-se dado ênfase às instalações onshore e ligados a rede elétrica de distribuição. É feita uma análise rigorosa das características das topologias dos aerogeradores disponíveis no mercado, e simula-se o funcionamento de um parque eólico para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo para a obtenção de uma resposta otimizada para o ciclo de vida económico do parque eólico em estudo. A abordagem proposta envolve algoritmos para otimização do custo de produção com multiplas funções objetivas com base na descrição matemática da produção de eletricidade. Foram desenvolvidos modelos de otimização linear, que estabelece a ligação entre o custo económico e a produção de eletricidade, tendo em conta ainda as emissões de CO2 em instrumentos de política energética para energia eólica. São propostas expressões para o cálculo do custo de energia com variáveis não convencionais, nomeadamente, para a produção variável do parque eólico, fator de funcionamento e coeficiente de eficiência geral do sistema. Para as duas últimas, também é analisado o impacto da distribuição do vento predominante no sistema de conversão de energia eólica. Verifica-se que os resultados obtidos pelos algoritmos propostos são similares às obtidas por demais métodos numéricos já publicados na comunidade científica, e que o algoritmo de otimização económica sofre influência significativa dos valores obtidos dos coeficientes em questão. Finalmente, é demonstrado que o algoritmo proposto (LCOEwso) é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital e O&M dos parques eólicos com informação incompleta ou em fase de projeto. Nesse sentido, o contributo desta tese vem ser desenvolver uma ferramenta de apoio à tomada de decisão de um gestor, investidor ou ainda agente público em fomentar a implantação de um parque eólico.

Behavioral modeling optimization and enhancement for high-speed analog mixed-signal I/O interfaces

A integridade do sinal em sistemas digitais interligados de alta velocidade, e avaliada através da simulação de modelos físicos (de nível de transístor) é custosa de ponto vista computacional (por exemplo, em tempo de execução de CPU e armazenamento de memória), e exige a disponibilização de detalhes físicos da estrutura interna do dispositivo. Esse cenário aumenta o interesse pela alternativa de modelação comportamental que descreve as características de operação do equipamento a partir da observação dos sinais eléctrico de entrada/saída (E/S). Os interfaces de E/S em chips de memória, que mais contribuem em carga computacional, desempenham funções complexas e incluem, por isso, um elevado número de pinos. Particularmente, os buffers de saída são obrigados a distorcer os sinais devido à sua dinâmica e não linearidade. Portanto, constituem o ponto crítico nos de circuitos integrados (CI) para a garantia da transmissão confiável em comunicações digitais de alta velocidade. Neste trabalho de doutoramento, os efeitos dinâmicos não-lineares anteriormente negligenciados do buffer de saída são estudados e modulados de forma eficiente para reduzir a complexidade da modelação do tipo caixa-negra paramétrica, melhorando assim o modelo standard IBIS. Isto é conseguido seguindo a abordagem semi-física que combina as características de formulação do modelo caixa-negra, a análise dos sinais eléctricos observados na E/S e propriedades na estrutura física do buffer em condições de operação práticas. Esta abordagem leva a um processo de construção do modelo comportamental fisicamente inspirado que supera os problemas das abordagens anteriores, optimizando os recursos utilizados em diferentes etapas de geração do modelo (ou seja, caracterização, formulação, extracção e implementação) para simular o comportamento dinâmico não-linear do buffer. Em consequência, contributo mais significativo desta tese é o desenvolvimento de um novo modelo comportamental analógico de duas portas adequado à simulação em overclocking que reveste de um particular interesse nas mais recentes usos de interfaces de E/S para memória de elevadas taxas de transmissão. A eficácia e a precisão dos modelos comportamentais desenvolvidos e implementados são qualitativa e quantitativamente avaliados comparando os resultados numéricos de extracção das suas funções e de simulação transitória com o correspondente modelo de referência do estado-da-arte, IBIS.

On the Faria's inequality for the Laplacian and signless Laplacian spectra: a unified approach

Let p(G)p(G) and q(G)q(G) be the number of pendant vertices and quasi-pendant vertices of a simple undirected graph G, respectively. Let m_L±(G)(1) be the multiplicity of 1 as eigenvalue of a matrix which can be either the Laplacian or the signless Laplacian of a graph G. A result due to I. Faria states that mL±(G)(1) is bounded below by p(G)−q(G). Let r(G) be the number of internal vertices of G. If r(G)=q(G), following a unified approach we prove that mL±(G)(1)=p(G)−q(G). If r(G)>q(G) then we determine the equality mL±(G)(1)=p(G)−q(G)+mN±(1), where mN±(1) denotes the multiplicity of 1 as eigenvalue of a matrix N±. This matrix is obtained from either the Laplacian or signless Laplacian matrix of the subgraph induced by the internal vertices which are non-quasi-pendant vertices. Furthermore, conditions for 1 to be an eigenvalue of a principal submatrix are deduced and applied to some families of graphs.

Higher order derivatives and norms of certain matrix functions

Tese de doutoramento, Matemática (Álgebra Lógica e Fundamentos), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014