Multiple-User Quantum Optical Communication

A fundamental understanding of the information carrying capacity of optical channels requires the signal and physical channel to be modeled quantum mechanically. This thesis considers the problems of distributing multi-party quantum entanglement to distant users in a quantum communication system and determining the ability of quantum optical channels to reliably transmit information. A recent proposal for a quantum communication architecture that realizes long-distance, high-fidelity qubit teleportation is reviewed. Previous work on this communication architecture is extended in two primary ways. First, models are developed for assessing the effects of amplitude, phase, and frequency errors in the entanglement source of polarization-entangled photons, as well as fiber loss and imperfect polarization restoration, on the throughput and fidelity of the system. Second, an error model is derived for an extension of this communication architecture that allows for the production and storage of three-party entangled Greenberger-Horne-Zeilinger states. A performance analysis of the quantum communication architecture in qubit teleportation and quantum secret sharing communication protocols is presented. Recent work on determining the channel capacity of optical channels is extended in several ways. Classical capacity is derived for a class of Gaussian Bosonic channels representing the quantum version of classical colored Gaussian-noise channels. The proof is strongly mo- tivated by the standard technique of whitening Gaussian noise used in classical information theory. Minimum output entropy problems related to these channel capacity derivations are also studied. These single-user Bosonic capacity results are extended to a multi-user scenario by deriving capacity regions for single-mode and wideband coherent-state multiple access channels. An even larger capacity region is obtained when the transmitters use non- classical Gaussian states, and an outer bound on the ultimate capacity region is presented

An Algorithm for Parsing Flow Graphs

This report describes research about flow graphs - labeled, directed, acyclic graphs which abstract representations used in a variety of Artificial Intelligence applications. Flow graphs may be derived from flow grammars much as strings may be derived from string grammars; this derivation process forms a useful model for the stepwise refinement processes used in programming and other engineering domains. The central result of this report is a parsing algorithm for flow graphs. Given a flow grammar and a flow graph, the algorithm determines whether the grammar generates the graph and, if so, finds all possible derivations for it. The author has implemented the algorithm in LISP. The intent of this report is to make flow-graph parsing available as an analytic tool for researchers in Artificial Intelligence. The report explores the intuitions behind the parsing algorithm, contains numerous, extensive examples of its behavior, and provides some guidance for those who wish to customize the algorithm to their own uses.

Confirmation of Data Mining Based Predictions of Protein Function

King, R. D. and Wise, P. H. and Clare, A. (2004) Confirmation of Data Mining Based Predictions of Protein Function. Bioinformatics 20(7), 1110-1118

Typability and Type Checking in the Second-Order Λ-Calculus Are Equivalent and Undecidable (Preliminary Draft)

We consider the problems of typability[1] and type checking[2] in the Girard/Reynolds second-order polymorphic typed λ-calculus, for which we use the short name "System F" and which we use in the "Curry style" where types are assigned to pure λ -terms. These problems have been considered and proven to be decidable or undecidable for various restrictions and extensions of System F and other related systems, and lower-bound complexity results for System F have been achieved, but they have remained "embarrassing open problems"[3] for System F itself. We first prove that type checking in System F is undecidable by a reduction from semi-unification. We then prove typability in System F is undecidable by a reduction from type checking. Since the reverse reduction is already known, this implies the two problems are equivalent. The second reduction uses a novel method of constructing λ-terms such that in all type derivations, specific bound variables must always be assigned a specific type. Using this technique, we can require that specific subterms must be typable using a specific, fixed type assignment in order for the entire term to be typable at all. Any desired type assignment may be simulated. We develop this method, which we call "constants for free", for both the λK and λI calculi.

Effect of different jump distributions on the dynamics of jump processes

The paper investigates stochastic processes forced by independent and identically distributed jumps occurring according to a Poisson process. The impact of different distributions of the jump amplitudes are analyzed for processes with linear drift. Exact expressions of the probability density functions are derived when jump amplitudes are distributed as exponential, gamma, and mixture of exponential distributions for both natural and reflecting boundary conditions. The mean level-crossing properties are studied in relation to the different jump amplitudes. As an example of application of the previous theoretical derivations, the role of different rainfall-depth distributions on an existing stochastic soil water balance model is analyzed. It is shown how the shape of distribution of daily rainfall depths plays a more relevant role on the soil moisture probability distribution as the rainfall frequency decreases, as predicted by future climatic scenarios. © 2010 The American Physical Society.

How community ecology links natural mortality, growth, and production of fish populations

Size-spectrum theory is used to show that (i) predation mortality is a decreasing function of individual size and proportional to the consumption rate of predators; (ii) adult natural mortality M is proportional to the von Bertalanffy growth constant K; and (iii) productivity rate P/B is proportional to the asymptotic weight W8 -1/3. The constants of proportionality are specified using individual level parameters related to physiology or prey encounter. The derivations demonstrate how traditional fisheries theory can be connected to community ecology. Implications for the use of models for ecosystem-based fisheries management are discussed.

Network Usage Determination for Transmission Cost Allocation using a Transformer Analogy

This study presents a new method for determining the transmission network usage by loads and generators, which can then be used for transmission cost/loss allocation in an explainable and justifiable manner. The proposed method is based on solid physical grounds and circuit theory. It relies on dividing the currents through the network into two components; the first one is attributed to power flows from generators to loads, whereas the second one is because of the generators only. Unlike almost all the available methods, the proposed method is assumption free and hence it is more accurate than similar methods even those having some physical basis. The proposed method is validated through a transformer analogy, and theoretical derivations. The method is verified through application to the IEEE 30 bus system and the IEEE 118 test system. The results obtained verified many desirable features of the proposed method. Being more accurate in determining the network usage, in an explainable transparent manner, and in giving accurate cost signals, indicating the best locations to add loads and generation, are among the many desirable features.

Nonequilibrium Quantum Landauer Principle

Using the operational framework of completely positive, trace preserving operations and thermodynamic fluctuation relations, we derive a lower bound for the heat exchange in a Landauer erasure process on a quantum system. Our bound comes from a nonphenomenological derivation of the Landauer principle which holds for generic nonequilibrium dynamics. Furthermore, the bound depends on the nonunitality of dynamics, giving it a physical significance that differs from other derivations. We apply our framework to the model of a spin-1/2 system coupled to an interacting spin chain at finite temperature.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Gestão baseada no contributo: um estudo exploratório

O propósito deste trabalho é identificar no âmbito da Estratégia como se dá a quantificação da importância estratégica de um recurso, uma solução ou uma organização sob o pronto de vista do cliente, ou seja, do ponto de vista de quem tem uma carência de algo. A motivação para seu desenvolvimento decorreu da constatação de uma crescente banalização dos termos relacionados com a Estratégia, principalmente após os trabalhos de Porter. Esse fenômeno banalizou, por exemplo, a utilização do termo importância estratégica pois tudo ou quase tudo passou a ser qualificado como sendo estrategicamente importante. Outro termo também banalizado foi o valor e seus derivados, como: criar valor, agregar valor, transferir valor etc. A banalização é tamanha que não é difícil encontrar iletrados tratando desses termos como se dominassem seu significado. A análise bibliográfica dos referidos termos a partir da visão de vários autores acabou por conduzir à “desconstrução” de conceitos, principalmente dos que representam um esteio para a visão Porteriana. Entre eles, sobressai o valor, sobre o qual o trabalho faz uma análise do seu significado segundo algumas áreas do conhecimento, como Filosofia, Economia, Qualidade, Estratégia e Marketing. Através desse processo, foi possível constatar que as teorias que embasam as perspectivas de análise da origem da vantagem competitiva apresentam visões estáticas e parciais do ambiente competitivo. Foi também possível verificar que as definições de diversos autores sobre Estratégia não são tão fiéis às teorias como seria de se esperar, pois estas muitas vezes são inconclusivas e parecem “navegar” entre elas. Tais inconsistências evidenciam a necessidade de uma nova proposta teórica que colmate as lacunas das atuais. Daí que este trabalho propõe o conceito de Contributo, em substituição ao valor, e no Sistema de Criação de Contributos, em substituição à cadeia de viii valor, dando origem a uma nova visão estruturada da organização voltada para os macroatributos que colmatam as carências dos clientes. Essa nova perspectiva de obtenção de vantagem competitiva, denominada Gestão Baseada no Contributo, é integradora pois considera sob uma perspectiva dinâmica, não só os fatores exógenos à organização (os mercados) como também aos endógenos (os recursos). Além disso, permite a quantificação da importância estratégica, o que até então não era possível de ser feito na forma de pontuação (absoluta) e na forma de percentual (relativa ao Cliente).

Quantum Monte Carlo : some theoretical and numerical studies

In Part I, theoretical derivations for Variational Monte Carlo calculations are compared with results from a numerical calculation of He; both indicate that minimization of the ratio estimate of Evar , denoted EMC ' provides different optimal variational parameters than does minimization of the variance of E MC • Similar derivations for Diffusion Monte Carlo calculations provide a theoretical justification for empirical observations made by other workers. In Part II, Importance sampling in prolate spheroidal coordinates allows Monte Carlo calculations to be made of E for the vdW molecule var He2' using a simplifying partitioning of the Hamiltonian and both an HF-SCF and an explicitly correlated wavefunction. Improvements are suggested which would permit the extension of the computational precision to the point where an estimate of the interaction energy could be made~

Modèle de structuration des relations lexicales fondé sur le formalisme des fonctions lexicales

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Paris Diderot (Paris 7)

Sleep spindle activity in children with ADHD

Le trouble du déficit de l’attention/hyperactivité (TDA/H) est le désordre du comportement le plus commun chez les enfants. Les études suggèrent qu'un pourcentage élevé d'enfants atteints de TDA/H souffre de problèmes de sommeil et de somnolence diurne. Le mécanisme sous-jacent à ces difficultés demeure inconnu. Plusieurs études ont suggéré que les fuseaux de sommeil jouent un rôle dans les mécanismes de protection du sommeil. L'objectif de cette étude est de comparer les fuseaux lents (11-13 Hz) et rapides (14-15 Hz) chez des enfants atteints du TDA/H et des sujets contrôles. Nous prévoyons que comparativement aux enfants contrôles, les enfants atteints du TDA/H montreront une plus faible densité des fuseaux lents et rapides, et auront des fuseaux plus courts (sec), moins amples (uV) et plus rapides (cycle/sec). Enfin, nous prévoyons que ces effets seront plus prononcés dans les dérivations cérébrales antérieures que dans les dérivations plus postérieures du cerveau. Les enregistrements polysomnographiques (PSG) du sommeil de nuit ont été menés chez 18 enfants diagnostiqués avec le TDA/H et chez 26 sujets témoins âgés entre 7 et 11 ans. Un algorithme automatique a permis de détecter les fuseaux lents et rapides sur les dérivations frontales, centrales, pariétales et occipitales. Les résultats ont montré que, les caractéristiques PSG du sommeil ne différaient pas significativement entre les deux groupes. On ne note aucune différence significative entre les groupes sur nombre/densité des fuseaux lents et rapides ainsi que sur leurs caractéristiques respectives. Cette étude suggère que les mécanismes de synchronisation du l'EEG en sommeil lent, tel que mesuré par la densité et les caractéristiques des fuseaux lents et rapides en sommeil lent ne différent pas chez les enfants atteints du TDA/H.

Coefficients de Clebsch-Gordan de la super-algèbre osp(1|2)

Les fonctions génératrices des coefficients de Clebsch Gordan pour la superalgèbre de Lie osp(1|2) sont dérivées en utilisant deux approches. Une première approche généralise une méthode proposée par Granovskii et Zhedanov pour l'appliquer dans le cas de osp(1|2), une algèbre dont le coproduit est torsadé. Une seconde approche repose sur la réalisation de osp(1|2) en tant qu'algèbre dynamique d'un oscillateur parabosonique et utilise une équivalence dans cette réalisation entre le changements de coordonnées polaires à cartésiennes et le problème de Clebsch-Gordan. Un chapitre moins formel précède ces dérivations et présente comment le problème de Clebsch-Gordan s'interprète en tant que réalisation d'une algèbre de fusion. La notion abstraite de fusion est introduite, soulignant son importance en physique, pour en venir au cas particulier du problème de Clebsch-Gordan. Un survol du cas de l'algèbre osp(1|2) et de ses utilisations en physique mathématique conclut ce chapitre.

Derivation of an Efficient Rule System Pattern Matcher

Formalizing algorithm derivations is a necessary prerequisite for developing automated algorithm design systems. This report describes a derivation of an algorithm for incrementally matching conjunctive patterns against a growing database. This algorithm, which is modeled on the Rete matcher used in the OPS5 production system, forms a basis for efficiently implementing a rule system. The highlights of this derivation are: (1) a formal specification for the rule system matching problem, (2) derivation of an algorithm for this task using a lattice-theoretic model of conjunctive and disjunctive variable substitutions, and (3) optimization of this algorithm, using finite differencing, for incrementally processing new data.