Optisch detektierte Magnetresonanz an NV-Zentren in Diamant

Die rasante Entwicklung der Computerindustrie durch die stetige Verkleinerung der Transistoren führt immer schneller zum Erreichen der Grenze der Si-Technologie, ab der die Tunnelprozesse in den Transistoren ihre weitere Verkleinerung und Erhöhung ihrer Dichte in den Prozessoren nicht mehr zulassen. Die Zukunft der Computertechnologie liegt in der Verarbeitung der Quanteninformation. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist die Detektion und gezielte Manipulation einzelner Spins in Festkörpern von größter Bedeutung. Die Standardmethoden der Spindetektion, wie ESR, erlauben jedoch nur die Detektion von Spinensembles. Die Idee, die das Auslesen von einzelnen Spins ermöglich sollte, besteht darin, die Manipulation getrennt von der Detektion auszuführen.rn Bei dem NV−-Zentrum handelt es sich um eine spezielle Gitterfehlstelle im Diamant, die sich als einen atomaren, optisch auslesbaren Magnetfeldsensor benutzen lässt. Durch die Messung seiner Fluoreszenz sollte es möglich sein die Manipulation anderer, optisch nicht detektierbaren, “Dunkelspins“ in unmittelbarer Nähe des NV-Zentrums mittels der Spin-Spin-Kopplung zu detektieren. Das vorgeschlagene Modell des Quantencomputers basiert auf dem in SWCNT eingeschlossenen N@C60.Die Peapods, wie die Einheiten aus den in Kohlenstoffnanoröhre gepackten Fullerenen mit eingefangenem Stickstoff genannt werden, sollen die Grundlage für die Recheneinheiten eines wahren skalierbaren Quantencomputers bilden. Die in ihnen mit dem Stickstoff-Elektronenspin durchgeführten Rechnungen sollen mit den oberflächennahen NV-Zentren (von Diamantplatten), über denen sie positioniert sein sollen, optisch ausgelesen werden.rnrnDie vorliegende Arbeit hatte das primäre Ziel, die Kopplung der oberflächennahen NV-Einzelzentren an die optisch nicht detektierbaren Spins der Radikal-Moleküle auf der Diamantoberfläche mittels der ODMR-Kopplungsexperimente optisch zu detektieren und damit entscheidende Schritte auf dem Wege der Realisierung eines Quantenregisters zu tun.rn Es wurde ein sich im Entwicklungsstadium befindende ODMR-Setup wieder aufgebaut und seine bisherige Funktionsweise wurde an kommerziellen NV-Zentrum-reichen Nanodiamanten verifiziert. Im nächsten Schritt wurde die Effektivität und Weise der Messung an die Detektion und Manipulation der oberflächennah (< 7 nm Tiefe) implantieren NV-Einzelzenten in Diamantplatten angepasst.Ein sehr großer Teil der Arbeit, der hier nur bedingt beschrieben werden kann, bestand aus derrnAnpassung der existierenden Steuersoftware an die Problematik der praktischen Messung. Anschließend wurde die korrekte Funktion aller implementierten Pulssequenzen und anderer Software-Verbesserungen durch die Messung an oberflächennah implantierten NV-Einzelzentren verifiziert. Auch wurde der Messplatz um die zur Messung der Doppelresonanz notwendigen Komponenten wie einen steuerbaren Elektromagneten und RF-Signalquelle erweitert. Unter der Berücksichtigung der thermischen Stabilität von N@C60 wurde für zukünftige Experimente auch ein optischer Kryostat geplant, gebaut, in das Setup integriert und charakterisiert.rn Die Spin-Spin-Kopplungsexperimente wurden mit dem sauerstoffstabilen Galvinoxyl-Radikalals einem Modell-System für Kopplung durchgeführt. Dabei wurde über die Kopplung mit einem NVZentrum das RF-Spektrum des gekoppelten Radikal-Spins beobachtet. Auch konnte von dem gekoppelten Spin eine Rabi-Nutation aufgenommen werden.rn Es wurden auch weitere Aspekte der Peapod Messung und Oberflächenimplantation betrachtet.Es wurde untersucht, ob sich die NV-Detektion durch die SWCNTs, Peapods oder Fullerene stören lässt. Es zeigte sich, dass die Komponenten des geplanten Quantencomputers, bis auf die C60-Cluster, für eine ODMR-Messanordnung nicht detektierbar sind und die NV-Messung nicht stören werden. Es wurde auch betrachtet, welche Arten von kommerziellen Diamantplatten für die Oberflächenimplantation geeignet sind, für die Kopplungsmessungen geeignete Dichte der implantierten NV-Zentren abgeschätzt und eine Implantation mit abgeschätzter Dichte betrachtet.

Alternative derivative expansion in Functional RG and application

We give a brief review of the Functional Renormalization method in quantum field theory, which is intrinsically non perturbative, in terms of both the Polchinski equation for the Wilsonian action and the Wetterich equation for the generator of the proper verteces. For the latter case we show a simple application for a theory with one real scalar field within the LPA and LPA' approximations. For the first case, instead, we give a covariant "Hamiltonian" version of the Polchinski equation which consists in doing a Legendre transform of the flow for the corresponding effective Lagrangian replacing arbitrary high order derivative of fields with momenta fields. This approach is suitable for studying new truncations in the derivative expansion. We apply this formulation for a theory with one real scalar field and, as a novel result, derive the flow equations for a theory with N real scalar fields with the O(N) internal symmetry. Within this new approach we analyze numerically the scaling solutions for N=1 in d=3 (critical Ising model), at the leading order in the derivative expansion with an infinite number of couplings, encoded in two functions V(phi) and Z(phi), obtaining an estimate for the quantum anomalous dimension with a 10% accuracy (confronting with Monte Carlo results).

Dissonance as a resource for probing the qubit depolarizing channel

Quantum channel identification, a standard problem in quantum metrology, is the task of estimating parameter(s) of a quantum channel. We investigate dissonance (quantum discord in the absence of entanglement) as an aid to quantum channel identification and find evidence for dissonance as a resource for quantum information processing. We consider the specific case of dissonant Bell-diagonal probes of the qubit depolarizing channel, using quantum Fisher information as a measure of statistical information extracted by the probe. In this setting dissonant quantum probes yield more statistical information about the depolarizing probability than do corresponding probes without dissonance and greater dissonance yields greater information. This effect only operates consistently when we control for classical correlation between the probe and its ancilla and the joint and marginal purities of the ancilla and probe.

Thermal right-handed neutrino self-energy in the non-relativistic regime

Recently the issue of radiative corrections to leptogenesis has been raised. Considering the "strong washout" regime, in which OPE-techniques permit to streamline the setup, we report the thermal self-energy matrix of heavy right-handed neutrinos at NLO (resummed 2-loop level) in Standard Model couplings. The renormalized expression describes flavour transitions and "inclusive" decays of chemically decoupled right-handed neutrinos. Although CP-violation is not addressed, the result may find use in existing leptogenesis frameworks.

Supersymmetric Mode Converters

Originally developed in the context of quantum field theory, the concept of supersymmetry can be used to systematically design a new class of optical structures. In this work, we demonstrate how key features arising from optical supersymmetry can be exploited to control the flow of light for mode division multiplexing applications. Superpartner configurations are experimentally realized in coupled optical networks, and the corresponding light dynamics in such systems are directly observed. We show that supersymmetry can be judiciously utilized to remove the fundamental mode of a multimode optical structure, while establishing global phase matching conditions for the remaining set of modes. Along these lines, supersymmetry may serve as a promising platform for versatile optical components with desirable properties and functionalities.

Learning Analytics: Challenges and Future Research Directions

In recent years, learning analytics (LA) has attracted a great deal of attention in technology-enhanced learning (TEL) research as practitioners, institutions, and researchers are increasingly seeing the potential that LA has to shape the future TEL landscape. Generally, LA deals with the development of methods that harness educational data sets to support the learning process. This paper provides a foundation for future research in LA. It provides a systematic overview on this emerging field and its key concepts through a reference model for LA based on four dimensions, namely data, environments, context (what?), stakeholders (who?), objectives (why?), and methods (how?). It further identifies various challenges and research opportunities in the area of LA in relation to each dimension.

Hierarchical segmentation-assisted multimodal registration for MR brain images

Information theory-based metric such as mutual information (MI) is widely used as similarity measurement for multimodal registration. Nevertheless, this metric may lead to matching ambiguity for non-rigid registration. Moreover, maximization of MI alone does not necessarily produce an optimal solution. In this paper, we propose a segmentation-assisted similarity metric based on point-wise mutual information (PMI). This similarity metric, termed SPMI, enhances the registration accuracy by considering tissue classification probabilities as prior information, which is generated from an expectation maximization (EM) algorithm. Diffeomorphic demons is then adopted as the registration model and is optimized in a hierarchical framework (H-SPMI) based on different levels of anatomical structure as prior knowledge. The proposed method is evaluated using Brainweb synthetic data and clinical fMRI images. Both qualitative and quantitative assessment were performed as well as a sensitivity analysis to the segmentation error. Compared to the pure intensity-based approaches which only maximize mutual information, we show that the proposed algorithm provides significantly better accuracy on both synthetic and clinical data.

The inverse problem for Schwinger pair production

The production of electron–positron pairs in time-dependent electric fields (Schwinger mechanism) depends non-linearly on the applied field profile. Accordingly, the resulting momentum spectrum is extremely sensitive to small variations of the field parameters. Owing to this non-linear dependence it is so far unpredictable how to choose a field configuration such that a predetermined momentum distribution is generated. We show that quantum kinetic theory along with optimal control theory can be used to approximately solve this inverse problem for Schwinger pair production. We exemplify this by studying the superposition of a small number of harmonic components resulting in predetermined signatures in the asymptotic momentum spectrum. In the long run, our results could facilitate the observation of this yet unobserved pair production mechanism in quantum electrodynamics by providing suggestions for tailored field configurations.

La recuperación de información en el siglo XX : Revisión y aplicación de aspectos de la lingüística cuantitativa y la modelización matemática de la información

Esta tesina indaga en el ámbito de las Tecnologías de la Información sobre los diferentes desarrollos realizados en la interpretación automática de la semántica de textos y su relación con los Sistemas de Recuperación de Información. Partiendo de una revisión bibliográfica selectiva se busca sistematizar la documentación estableciendo de manera evolutiva los principales antecedentes y técnicas, sintetizando los conceptos fundamentales y resaltando los aspectos que justifican la elección de unos u otros procedimientos en la resolución de los problemas.

La recuperación de información en el siglo XX : Revisión y aplicación de aspectos de la lingüística cuantitativa y la modelización matemática de la información

Esta tesina indaga en el ámbito de las Tecnologías de la Información sobre los diferentes desarrollos realizados en la interpretación automática de la semántica de textos y su relación con los Sistemas de Recuperación de Información. Partiendo de una revisión bibliográfica selectiva se busca sistematizar la documentación estableciendo de manera evolutiva los principales antecedentes y técnicas, sintetizando los conceptos fundamentales y resaltando los aspectos que justifican la elección de unos u otros procedimientos en la resolución de los problemas.

La recuperación de información en el siglo XX : Revisión y aplicación de aspectos de la lingüística cuantitativa y la modelización matemática de la información

Esta tesina indaga en el ámbito de las Tecnologías de la Información sobre los diferentes desarrollos realizados en la interpretación automática de la semántica de textos y su relación con los Sistemas de Recuperación de Información. Partiendo de una revisión bibliográfica selectiva se busca sistematizar la documentación estableciendo de manera evolutiva los principales antecedentes y técnicas, sintetizando los conceptos fundamentales y resaltando los aspectos que justifican la elección de unos u otros procedimientos en la resolución de los problemas.

Uniformly Reweighted Belief Propagation: A Factor Graph Approach

Tree-reweighted belief propagation is a message passing method that has certain advantages compared to traditional belief propagation (BP). However, it fails to outperform BP in a consistent manner, does not lend itself well to distributed implementation, and has not been applied to distributions with higher-order interactions. We propose a method called uniformly-reweighted belief propagation that mitigates these drawbacks. After having shown in previous works that this method can substantially outperform BP in distributed inference with pairwise interaction models, in this paper we extend it to higher-order interactions and apply it to LDPC decoding, leading performance gains over BP.

Two way clustering of Microarray Data using a Hybrid Approach

The Microarray technique is rather powerful, as it allows to test up thousands of genes at a time, but this produces an overwhelming set of data files containing huge amounts of data, which is quite difficult to pre-process, separate, classify and correlate for interesting conclusions to be extracted. Modern machine learning, data mining and clustering techniques based on information theory, are needed to read and interpret the information contents buried in those large data sets. Independent Component Analysis method can be used to correct the data affected by corruption processes or to filter the uncorrectable one and then clustering methods can group similar genes or classify samples. In this paper a hybrid approach is used to obtain a two way unsupervised clustering for a corrected microarray data.

Blind reconiliation

Information reconciliation is a crucial procedure in the classical post-processing of quantum key distribution (QKD). Poor reconciliation e?ciency, revealing more information than strictly needed, may compromise the maximum attainable distance, while poor performance of the algorithm limits the practical throughput in a QKD device. Historically, reconciliation has been mainly done using close to minimal information disclosure but heavily interactive procedures, like Cascade, or using less e?cient but also less interactive ?just one message is exchanged? procedures, like the ones based in low-density parity-check (LDPC) codes. The price to pay in the LDPC case is that good e?ciency is only attained for very long codes and in a very narrow range centered around the quantum bit error rate (QBER) that the code was designed to reconcile, thus forcing to have several codes if a broad range of QBER needs to be catered for. Real world implementations of these methods are thus very demanding, either on computational or communication resources or both, to the extent that the last generation of GHz clocked QKD systems are ?nding a bottleneck in the classical part. In order to produce compact, high performance and reliable QKD systems it would be highly desirable to remove these problems. Here we analyse the use of short-length LDPC codes in the information reconciliation context using a low interactivity, blind, protocol that avoids an a priori error rate estimation. We demonstrate that 2×103 bits length LDPC codes are suitable for blind reconciliation. Such codes are of high interest in practice, since they can be used for hardware implementations with very high throughput.