Resonance fluorescence spectrum of a \Lambda-type quantum emitter close to a metallic nanoparticle

We theoretically study the resonance fluorescence spectrum of a three-level quantum emitter coupled to a spherical metallic nanoparticle. We consider the case that the quantum emitter is driven by a single laser field along one of the optical transitions. We show that the development of the spectrum depends on the relative orientation of the dipole moments of the optical transitions in relation to the metal nanoparticle. In addition, we demonstrate that the location and width of the peaks in the spectrum are strongly modified by the exciton-plasmon coupling and the laser detuning, allowing to achieve controlled strongly subnatural spectral line. A strong antibunching of the fluorescent photons along the undriven transition is also obtained. Our results may be used for creating a tunable source of photons which could be used for a probabilistic entanglement scheme in the field of quantum information processing.

Iterative Phase Optimization of Elementary Quantum Error Correcting Codes

Performing experiments on small-scale quantum computers is certainly a challenging endeavor. Many parameters need to be optimized to achieve high-fidelity operations. This can be done efficiently for operations acting on single qubits, as errors can be fully characterized. For multiqubit operations, though, this is no longer the case, as in the most general case, analyzing the effect of the operation on the system requires a full state tomography for which resources scale exponentially with the system size. Furthermore, in recent experiments, additional electronic levels beyond the two-level system encoding the qubit have been used to enhance the capabilities of quantum-information processors, which additionally increases the number of parameters that need to be controlled. For the optimization of the experimental system for a given task (e.g., a quantum algorithm), one has to find a satisfactory error model and also efficient observables to estimate the parameters of the model. In this manuscript, we demonstrate a method to optimize the encoding procedure for a small quantum error correction code in the presence of unknown but constant phase shifts. The method, which we implement here on a small-scale linear ion-trap quantum computer, is readily applicable to other AMO platforms for quantum-information processing.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Utilização de pulsos de radiofrequência fortemente modulados no processamento de informação quântica via ressonância magnética nuclear

Nesta dissertação apresentamos um trabalho de desenvolvimento e utilização de pulsos de radiofreqüência modulados simultaneamente em freqüência, amplitude e fase (pulsos fortemente modulados, SMP, do inglês Strongly Modulated Pulses) para criar estados iniciais e executar operações unitárias que servem como blocos básicos para processamento da informação quântica utilizando Ressonância Magnética Nuclear (RMN). As implementações experimentais foram realizas em um sistema de 3 q-bits constituído por spins nucleares de Césio 133 (spin nuclear 7/2) em uma amostra de cristal líquido em fase nemática. Os pulsos SMP´s foram construídos teoricamente utilizando um programa especialmente desenvolvido para esse fim, sendo o mesmo baseado no processo de otimização numérica Simplex Nelder-Mead. Através deste programa, os pulsos SMP foram otimizados de modo a executarem as operações lógicas desejadas com durações consideravelmente menores que aquelas realizadas usando o procedimento usual de RMN, ou seja, seqüências de pulsos e evoluções livres. Isso tem a vantagem de reduzir os efeitos de descoerência decorrentes da relaxação do sistema. Os conceitos teóricos envolvidos na criação dos SMPs são apresentados e as principais dificuldades (experimentais e teóricas) que podem surgir devido ao uso desses procedimentos são discutidas. Como exemplos de aplicação, foram produzidos os estados pseudo-puros usados como estados iniciais de operações lógicas em RMN, bem como operações lógicas que foram posteriormente aplicadas aos mesmos. Utilizando os SMP\'s também foi possível realizar experimentalmente os algoritmos quânticos de Grover e Deutsch-Jozsa para 3 q-bits. A fidelidade das implementações experimentais foi determinadas utilizando as matrizes densidade experimentais obtidas utilizando um método de tomografia da matriz densidade previamente desenvolvido.

Hand somatosensory sub-cortical sources arehypoactive in migraine interictally: a functionalsource separation analysis

Background: Recent morpho-functional evidences pointed out that abnormalities in the thalamus could play a major role in the expression of migraine neurophysiological and clinical correlates. Whether this phenomenon is primary or secondary to its functional disconnection from the brain stem remains to be determined.Aim: We used a Functional Source Separation algorithmof EEG signal to extract the activity of the different neuronal pools recruited at different latencies along the somatosensory pathway in interictal migraine without aura(MO) patients. Method: Twenty MO patients and 20 healthy volunteers(HV) underwent EEG recording. Four ad-hoc functional constraints, two sub-cortical (FS14 at brain stem andFS16 at thalamic level) and two cortical (FS20 radial andFS22 tangential parietal sources), were used to extract the activity of successive stages of somatosensory information processing in response to the separate left and right median nerve electric stimulation. A band-pass digital filter (450–750 Hz) was applied offline in order to extract high-frequency oscillatory (HFO) activity from the broadband EEG signal. Results: In both stimulated sides, significant reduced subcortical brain stem (FS14) and thalamic (FS16) HFO activations characterized MO patients when compared with HV. No difference emerged in the two cortical HFO activations between two groups. Conclusion: Present results are the first neurophysiological evidence supporting the hypothesis that a functional disconnection of the thalamus from the subcortical monoaminergicsystem may underline the interictal cortical abnormal information processing in migraine. Further studiesare needed to investigate the precise directional connectivity across the entire primary subcortical and cortical somatosensory pathway in interictal MO.

Nanofiber control of ultracold quantum gases

While a great amount of attention is being given to the development of nanodevices, both through academic research and private industry, the field is still on the verge. Progress hinges upon the development of tools and components that can precisely control the interaction between light and matter, and that can be efficiently integrated into nano-devices. Nanofibers are one of the most promising candidates for such purposes. However, in order to fully exploit their potential, a more intimate knowledge of how nanofibers interact with single neutral atoms must be gained. As we learn more about the properties of nanofiber modes, and the way they interface with atoms, and as the technology develops that allows them to be prepared with more precisely known properties, they become more and more adaptable and effective. The work presented in this thesis touches on many topics, which is testament to the broad range of applications and high degree of promise that nanofibers hold. For immediate use, we need to fully grasp how they can be best implemented as sensors, filters, detectors, and switches in existing nano-technologies. Areas of interest also include how they might be best exploited for probing atom-surface interactions, single-atom detection and single photon generation. Nanofiber research is also motivated by their potential integration into fundamental cold atom quantum experiments, and the role they can play there. Combining nanofibers with existing optical and quantum technologies is a powerful strategy for advancing areas like quantum computation, quantum information processing, and quantum communication. In this thesis I present a variety of theoretical work, which explores a range of the applications listed above. The first work presented concerns the use of the evanescent fields around a nanofiber to manipulate an existing trapping geometry and therefore influence the centre-of-mass dynamics of the atom. The second work presented explores interesting trapping geometries that can be achieved in the vicinity of a fiber in which just four modes are allowed to propagate. In a third study I explore the use of a nanofiber as a detector of small numbers of photons by calculating the rate of emission into the fiber modes when the fiber is moved along next to a regularly separated array of atoms. Also included are some results from a work in progress, where I consider the scattered field that appears along the nanofiber axis when a small number of atoms trapped along that axis are illuminated orthogonally; some interesting preliminary results are outlined. Finally, in contrast with the rest of the thesis, I consider some interesting physics that can be done in one of the trapping geometries that can be created around the fiber, here I explore the ground states of a phase separated two-component superfluid Bose-Einstein condensate trapped in a toroidal potential.

Traitement des émotions évoquées par les expressions faciales, vocales et musicales à la suite d’un traumatisme craniocérébral

Le traitement des émotions joue un rôle essentiel dans les relations interpersonnelles. Des déficits dans la reconnaissance des émotions évoquées par les expressions faciales et vocales ont été démontrés à la suite d’un traumatisme craniocérébral (TCC). Toutefois, la majorité des études n’ont pas différencié les participants selon le niveau de gravité du TCC et n’ont pas évalué certains préalables essentiels au traitement émotionnel, tels que la capacité à percevoir les caractéristiques faciales et vocales, et par le fait même, la capacité à y porter attention. Aucune étude ne s’est intéressée au traitement des émotions évoquées par les expressions musicales, alors que la musique est utilisée comme méthode d’intervention afin de répondre à des besoins de prise en charge comportementale, cognitive ou affective chez des personnes présentant des atteintes neurologiques. Ainsi, on ignore si les effets positifs de l’intervention musicale sont basés sur la préservation de la reconnaissance de certaines catégories d’émotions évoquées par les expressions musicales à la suite d’un TCC. La première étude de cette thèse a évalué la reconnaissance des émotions de base (joie, tristesse, peur) évoquées par les expressions faciales, vocales et musicales chez quarante et un adultes (10 TCC modéré-sévère, 9 TCC léger complexe, 11 TCC léger simple et 11 témoins), à partir de tâches expérimentales et de tâches perceptuelles contrôles. Les résultats suggèrent un déficit de la reconnaissance de la peur évoquée par les expressions faciales à la suite d’un TCC modéré-sévère et d’un TCC léger complexe, comparativement aux personnes avec un TCC léger simple et sans TCC. Le déficit n’est pas expliqué par un trouble perceptuel sous-jacent. Les résultats montrent de plus une préservation de la reconnaissance des émotions évoquées par les expressions vocales et musicales à la suite d’un TCC, indépendamment du niveau de gravité. Enfin, malgré une dissociation observée entre les performances aux tâches de reconnaissance des émotions évoquées par les modalités visuelle et auditive, aucune corrélation n’a été trouvée entre les expressions vocales et musicales. La deuxième étude a mesuré les ondes cérébrales précoces (N1, N170) et plus tardives (N2) de vingt-cinq adultes (10 TCC léger simple, 1 TCC léger complexe, 3 TCC modéré-sévère et 11 témoins), pendant la présentation d’expressions faciales évoquant la peur, la neutralité et la joie. Les résultats suggèrent des altérations dans le traitement attentionnel précoce à la suite d’un TCC, qui amenuisent le traitement ultérieur de la peur évoquée par les expressions faciales. En somme, les conclusions de cette thèse affinent notre compréhension du traitement des émotions évoquées par les expressions faciales, vocales et musicales à la suite d’un TCC selon le niveau de gravité. Les résultats permettent également de mieux saisir les origines des déficits du traitement des émotions évoquées par les expressions faciales à la suite d’un TCC, lesquels semblent secondaires à des altérations attentionnelles précoces. Cette thèse pourrait contribuer au développement éventuel d’interventions axées sur les émotions à la suite d’un TCC.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Physical activity in the school setting: cognitive performance is not affected by three different types of acute exercise

Recent studies indicate that a single bout of physical exercise can have immediatepositive effects on cognitive performance of children and adolescents. However, thetype of exercise that affects cognitive performance the most in young adolescents isnot fully understood. Therefore, this controlled study examined the acute effects ofthree types of 12-min classroom-based exercise sessions on information processingspeed and selective attention. The three conditions consisted of aerobic, coordination,and strength exercises, respectively. In particular, this study focused on the feasibilityand efficiency of introducing short bouts of exercise in the classroom. One hundredand ninety five students (5th and 6th grade; 10–13 years old) participated in a doublebaseline within-subjects design, with students acting as their own control. Exercise typewas randomly assigned to each class and acted as between-subject factor. Before andimmediately after both the control and the exercise session, students performed twocognitive tests that measured information processing speed (Letter Digit SubstitutionTest) and selective attention (d2 Test of Attention). The results revealed that exercisingat low to moderate intensity does not have an effect on the cognitive parameters testedin young adolescents. Furthermore, there were no differential effects of exercise type.The results of this study are discussed in terms of the caution which should be takenwhen conducting exercise sessions in a classroom setting aimed at improving cognitive performance.

Advanced Business Simulations-Incorporating business and process execution data

Key Performance Indicators (KPIs) and their predictions are widely used by the enterprises for informed decision making. Nevertheless , a very important factor, which is generally overlooked, is that the top level strategic KPIs are actually driven by the operational level business processes. These two domains are, however, mostly segregated and analysed in silos with different Business Intelligence solutions. In this paper, we are proposing an approach for advanced Business Simulations, which converges the two domains by utilising process execution & business data, and concepts from Business Dynamics (BD) and Business Ontologies, to promote better system understanding and detailed KPI predictions. Our approach incorporates the automated creation of Causal Loop Diagrams, thus empowering the analyst to critically examine the complex dependencies hidden in the massive amounts of available enterprise data. We have further evaluated our proposed approach in the context of a retail use-case that involved verification of the automatically generated causal models by a domain expert.

Automated Equation Formulation for Causal Loop Diagrams

The annotation of Business Dynamics models with parameters and equations, to simulate the system under study and further evaluate its simulation output, typically involves a lot of manual work. In this paper we present an approach for automated equation formulation of a given Causal Loop Diagram (CLD) and a set of associated time series with the help of neural network evolution (NEvo). NEvo enables the automated retrieval of surrogate equations for each quantity in the given CLD, hence it produces a fully annotated CLD that can be used for later simulations to predict future KPI development. In the end of the paper, we provide a detailed evaluation of NEvo on a business use-case to demonstrate its single step prediction capabilities.