Η παρούσα διατριβή έχει ως θέμα της το κβαντικό χάος σε μπιλλιάρδα. Ειδικότερα, εισάγεται ένας μετασχηματισμός (Μετασχηματισμός Εφελκυσμού), ο οποίος προβάλλει το σύνορο ενός μπιλλιάρδου πάνω στον μοναδιαίο κύκλο. Αυτό εισάγει μια μη-Ευκλείδια μετρική στο επίπεδο και έναν διαφορικό τελεστή, ο οποίος περιέχει όλη την πληροφορία σχετικά με το σχήμα του συνόρου και τις ιδιότητες, ως προς την ολοκληρωσιμότητα ή μη, του μπιλλιάρδου. Κλασικά οι ευθείες γραμμές της ελεύθερης κίνησης αντιστοιχούν σε γεωδαισιακές, και κβαντομηχανικά το ενεργειακό φάσμα είναι αυτό του τελεστή Laplace-Beltrami με Dirichlet συνοριακές συνθήκες στον μοναδιαίο κύκλο. Οι γεωδαισιακές εξισώσεις είναι μη-γραμμικές, ομως στο διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών σκεδάσεων υπάρχουν δύο ολοκληρώματα κίνησης, αυτό της κινητικής ενέργειας και αυτό της στροφορμής, οπότε είναι δυνατή η λύση τους. Οι λύσεις αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο κλασικό πρόβλημα σκέδασης. Κβαντικά παίρνουμε το φάσμα των μπιλλιάρδων: Έλλειψη, στάδιο, Robnik και τετράγωνο, για διάφορες τιμές μιας παραμέτρου διαταραχής. Το φάσμα υπολογίζεται διαταρακτικά για μικρές τιμές της παραμέτρου διαταραχής και με διαγωνοποίηση για πιο μεγάλες τιμές της. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε σχήμα συνόρου μπιλλιάρδου, αρκεί ο μετασχηματισμός να είναι αντιστρέψιμος, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένας γρήγορος τρόπος προσδιορισμού του φάσματος καθώς και σαν ένα θεωρητικό εργαλείο για την ανάλυση θεμελιακών ιδιοτήτων της ολοκληρωσιμότητας, του χάους και της ενδιάμεσης αυτών περιοχής, μέσω του τελεστή Laplace-Beltrami. Σαν ένδειξη των δυνατοτήτων της μεθόδου παραθέτουμε ένα γραφικό τεστ, όπου για πολύ μικρές αποκλίσεις από τον μοναδιαίο κύκλο ένα ολοκληρώσιμο και δύο εν-δυνάμει χαοτικά μπιλλιάρδα διακρίνονται καθαρά μεταξύ τους από τις κατανομές των διαφορών της διόρθωσης πρώτης τάξης στην ενέργεια. Το τεστ αυτό εμφανίζεται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία και έρχεται να συμπληρώσει την γνωστή κατανομή αποστάσεων εγγυτάτων γειτόνων, η οποία για τόσο μικρές αποκλίσεις από το κυκλικό μπιλλιάρδο δεν καταφέρνει να διαχωρίσει τα ολοκληρώσιμα από τα μη-ολοκληρώσιμα σχήματα. Τέλος εισάγεται η έννοια του ανοικτού μπιλλιάρδου, στο οποίο θεωρείται ότι το σύνορο βρίσκεται στο άπειρο. Τα ανοικτά μπιλλιάρδα αν και είναι ολοκληρώσιμα, περιέχουν εντούτοις την πληροφορία για την ολοκληρωσιμότητα ή μη των αντιστοίχων κλειστών σχημάτων. Για την εξαγωγή της τελευταίας πληροφορίας χρησιμοποιούνται διάφοροι μέθοδοι όπως συναρτήσεις αυτο- και ετερο- συσχέτισης. / For a billiard of a general shape a transformation is introduced (Stretching Transformation) which projects the boundary on the unit circle. This introduces a non-Euclidean metric on the plane, which contains all relevant information of the shape of the boundary. Classically the straight lines of the free motion correspond to geodesics and quantum mechanically the energy spectrum is that of Laplace-Beltrami operator with Dirichlet boundary conditions on the unit circle. The geodesic equations are highly non-linear. Nevertheless for the interval between two consecutive scatterings we have two integrals of motion, the kinetic energy and the angular momentum. This fact helps to solve explicitly the geodesic equations. These solutions can be used to derive interesting properties for the classical scattering. Quantum mechanically the spectrum of the above billiards is obtained for certain parameter values both perturbatively for small values of the parameter and also using a diagonalisation procedure. This method is applicable to any particular form of a billiard for which the transformation is invertible and can be used on one hand as a quick method of approximate spectral determination and as a theoretical tool to analyze specific properties of integrability and chaos through the associated connection form and the Laplace-Beltrami operator. As aν indication of the potentiality of this method we present a graphical test where for very small deviations from the circular billiard an integrable and two non-integrable billiards can be distinguished by the distribution of the differences of the first order corrections while this distinction is not evident by the usual test for the nearest neighbor level spacing. Furthermore the open billiard concept is being introduced. An open billiard is one whose boundary is assumed to be at infinity, thus being classified as an integrable billiard, which contains nevertheless the information about potential non-integrability within. Various methods for the extraction of this hidden information are being investigated.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάμε την έννοια και σημασία των εκθετών Lyapunov μέσω μεθόδων ανάλυσης πειραματικών δεδομένων που εφαρμόζονται στην φυσική, στην γεωλογία, στην αστρονομία, στην νευροβιολογία, στην οικολογία και στα οικονομικά. Οι εκθέτες Lyapunov παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην ανίχνευση χάους, το οποίο εμφανίζεται σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας. Άρα, το θέμα τους ανήκει στην θεωρία των χαοτικών δυναμικών συστημάτων αλλά και γενικότερα όλων των δυναμικών συστημάτων, τα οποία πρέπει να αναλυθούν σωστά και με ακρίβεια για να πάρουμε τα σωστά συμπεράσματα όσον αφορά τους εκθέτες Lyapunov. Σκοπός της μελέτης είναι η εύρεση των εκθετών Lyapunov για διάφορα δυναμικά συστήματα και η εξήγηση των αποτελεσμάτων όσον αφορά την δυναμική συμπεριφορά του κάθε συστήματος. Επίσης, παρουσιάζονται εφαρμογές στην επιστήμη όπου οι εκθέτες Lyapunov παίζουν σημαντικό ρόλο και εξηγούνται οι κυριότεροι αλγόριθμοι υπολογισμού αυτών των εκθετών υπό διαφορετική υλοποίηση και σε διαφορετικά υπολογιστικά πακέτα, όπως το Matlab, το Mathematica και ακόμα σε γλώσα προγραμματισμού C με σκοπό την εύρεση του καλύτερου και πιο ακριβή αλγόριθμου. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα μετά την ανάλυση όλων των αλγορίθμων και των αποτελεσμάτων και προτείνεται ο καλύτερος και αποτελεσματικότερος αλγόριθμος όσον αφορά την απόδοση, τον χρόνο εκτέλεσης, αλλά και το μέγεθος των σφαλμάτων. Στο τέλος, υπάρχει παράρτημα με επιμέρους κώδικες που χρησιμοποιούνται, όπως ακόμα και η βιβλιογραφία από την οποία αντλήθηκαν πολύ σημαντικές πληροφορίες. / In this paper, we study the meaning and importance of Lyapunov exponents through experimental data analysis methods applied in physics, geology, astronomy, neurobiology, ecology and economics. The Lyapunov exponents play an important role in the detection of chaos, which occurs in many areas of science and technology. So, their issue concerns the theory of chaotic dynamical systems and generally all dynamical systems, which must be analyzed properly and accurately to get the right conclusions for the Lyapunov exponents. The purpose of this paper is to find the Lyapunov exponents for various dynamical systems and the explanation of the results concerning the dynamic behavior of each system. Also, several applications in science are presented where Lyapunov exponents play an important role and the main algorithms, which calculate these exponents under different implementation and in different computer packages such as Matlab, Mathematica, and even in programming language C, are explained to find the best and most accurate algorithm. Additionally, conclusions are drawn after analyzing all the algorithms and the results and it is suggested the best and most efficient algorithm regarding the performance, the execution time and also the magnitude of errors. In the end, there is an appendix with individual codes which are used, as even the bibliography from which very important information are derived.

Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στην εισαγωγή γίνεται μια ιστορική ανασκόπηση. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες εκείνες οι βασικές εισαγωγικές έννοιες που χρησιμοποιούνται από τη θεωρία του χάους και στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια στοιχειώδης σύνοψη της Κβαντομηχανικής, τονίζονται οι διαφορές από την κλασική θεωρία και επιχειρείται μια πρώτη προσέγγιση στο ερώτημα "μπορεί να υπάρξει κβαντικό χάος"; Επίσης γίνεται μια πρώτη αναφορά για τις στατιστικές κατανομές ιδιοτιμών και ιδιοσυναρτήσεων που παρατηρούνται στα κβαντομηχανικά συστήματα και βγαίνουν τα πρώτα θεωρητικά συμπεράσματα. Το δεύτερο μέρος είναι αφιερωμένο στα κβαντικά μπιλιάρδα. Το τέταρτο κεφάλαιο ασχολείται με τις στατιστικές ιδιότητες των ιδιοτιμών και των ιδιοσυναρτήσεων. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η μέθοδος μετασχηματισμού εφελκυσμού η οποία είναι και η μέθοδος που ακολουθήθηκε για την εξαγωγή των ιδιοτιμών στα πειραματικά μας δεδομένα. Επίσης παρουσιάζεται το μπιλιάρδο του Robnik και διάφορα άλλα μπιλιάρδα. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από τη στατιστική ανάλυση των ιδιοτήτων των παραπάνω μπιλιάρδων. Επίσης υπάρχουν και τέσσερα παραρτήματα που αφορούν τη Θεωρία τυχαίων μητρών, Θεωρία διαταραχών, Στοιχειώδη τανυστική ανάλυση και άλλες αριθμητικές μεθόδους υπολογισμού των ιδιοτιμών και ιδιοκαταστάσεων κβαντικών μπιλιάρδων. / -

Το θέμα της διπλωματικής μεταπτυχιακής εργασίας είναι οι συνήθεις μη γραμμικότητες και οι εφαρμογές τους. Σχεδιάζονται, εξομοιώνονται και υλοποιούνται στην πράξη απλοί και σύνθετοι μη γραμμικοί αντιστάτες τμηματικής γραμμικότητας (PieceWise-Linear – PWL). Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στην υλοποίηση της διόδου Chua καθώς και στο σχεδιασμό και υλοποίηση του ίδιου του χαοτικού κυκλώματος Chua. Ταυτόχρονα δίνονται συνοπτικά στοιχεία θεωρίας χάους. Επιπλέον, μελετάται και υλοποιείται υπερχαοτικός ταλαντωτής κατάλληλος για συγχρονισμό και εφαρμογή σε ασφαλείς επικοινωνίες. Αυτός ο υπερχαοτικός ταλαντωτής βασίζεται σε έναν LC ταλαντωτή και το γνωστό Deliyannis SAB συζευγμένα μέσω μιας διόδου. Σε όλα τα παραπάνω πρέπει να προστεθεί η συγκέντρωση όλης της σχετικής βιβλιογραφίας. / The subject of this diploma thesis is to study usual nonlinearities and their applications. Simple and composite nonlinear piecewise-linear resistors have been designed, simulated and implemented. A great care is shown towards implementing the Chua’s diode and designing and implementing the chaotic Chua’s circuit itself. At the same time some basics of chaos theory are given. Moreover, a hyperchaotic oscillator is studied which is suitable for synchronization and application in secure communications. This hyperchaotic oscillator is based on a LC oscillator and the well-known Deliyannis SAB coupled by means of a diode. To all above, one should add the very rich bibliography, which has now been accumulated for the benefit of all concerned in the Electronics Laboratory.

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται, αριθμητικά και αναλυτικά (όπου αυτό είναι εφικτό), η συμπεριφορά ενός 2-διάστατου διακριτού συστήματος, το οποίο συνθέτουν ένας γραμμικός πίνακας και ένα διάνυσμα ασυνέχειας. Παρόλη την απλότητα της έκφρασής του, η συμπεριφορά του χαρακτηρίζεται από ποικιλομορφία και πολυπλοκότητα. Αλλοιώνοντας το αρχικό αυτό σύστημα, με την παρουσία μιας παραμέτρου διαταραχής (όπως την ονομάζουμε), και στη συνέχεια φράσσοντας τις τιμές του με modulo, παράγουμε δύο συγγενή συστήματα με έντονα πολύπλοκη και απεριοδική συμπεριφορά. Οι απεριοδικές αλληλουχίες τιμών που παράγονται με αυτόν τον τρόπο δύνανται να μετατραπούν (μέσω διαφόρων κατάλληλων κωδικοποιήσεων) σε αποτελεσματικούς κρυπτογραφικούς κλειδάριθμους. / In this paper, we present an application of the theory of symbolic dynamics to a class of discrete dynamical systems of interest to cryptography, which are composed of a linear part and a discontinuity. The irregular behavior of such systems is studied, in the sense of the existence of non-periodic orbits in certain areas of the configuration space. Some theorems are stated and proved, concerning the correspondence of such orbits with an infinite set of non-periodic symbolic series of infinite length. A specific dynamical system is used as an example, illustrating the remarkable patterns displayed by the dynamics of this class of systems. Keywords: Uncountably infinite, non-periodic symbolic series, disk of influence, eventually periodic orbit, pre-orbit point.

Το κύριο μέρος της διατριβής αρχίζει στο Κεφάλαιο 4 όπου παρουσιάζονται πρωτότυπα ερευνητικά αποτελέσματα της διατριβής που αφορούν στην κανονική και χαοτική δυναμική Χαμιλτώνιων συστημάτων λίγων βαθμών ελευθερίας. Περιγράφονται αποτελέσματα πάνω στη συμπεριφορά δεικτών διάκρισης οργανωμένης και χαοτικής δυναμικής στα συστήματα αυτά και γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τέλος, αναφέρονται αποτελέσματα από τη θεωρία και την εφαρμογή της μεθόδου του Γενικευμένου Δείκτη Ευθυγράμμισης GALI, που αποτελεί ένα από τα πιο βασικά νέα στοιχεία της διατριβής, σε μη ολοκληρώσιμα Χαμιλτώνια συστήματα δύο και τριών βαθμών ελευθερίας. Το Κεφάλαιο 5 ασχολείται με την παρουσίαση πρωτότυπων ερευνητικών αποτελεσμάτων σε Χαμιλτώνια δυναμικά συστήματα πολλών βαθμών ελευθερίας. Εδώ, εισάγονται νέες μέθοδοι για την μελέτη των περιοχών κανονικής και χαοτικής συμπεριφοράς συστημάτων πολλών βαθμών ελευθερίας με σκοπό να κατανοηθεί η συμπεριφορά των συστημάτων αυτών στο θερμοδυναμικό όριο και να δοθεί μια απάντηση στο καίριο ερώτημα αν οι νόμοι της Στατιστικής Μηχανικής ισχύουν στην περίπτωση των πολυδιάστατων Χαμιλτώνιων συστημάτων που εξετάζονται εδώ. Ελέγχεται πως αυξάνουν οι χαοτικές περιοχές γύρω από ασταθείς Απλές Περιοδικές Λύσεις (ΑΠΛ) στον χώρο φάσεων, μετά από μία κρίσιμη τιμή της ολικής ενέργειας, η δε μετάβαση από περιορισμένο σε εκτεταμένο χάος, προκύπτει από το ότι συχνά σε περιοχές διαφορετικών ασταθών ΑΠΛ συγκλίνουν τα αντίστοιχα φάσματα Lyapunov στην ίδια εκθετική συνάρτηση. Υπολογίζοντας κατόπιν το άθροισμα των θετικών εκθετών Lyapunov, που αντιστοιχεί στην εντροπία Kolmogorov - Sinai και διαπιστώνεται ότι για τα συστήματα που εξετάζονται στη διατριβή αυτή, η εντροπία KS αυξάνει γραμμικά, συναρτήσει των βαθμών ελευθερίας N, επιβεβαιώνοντας έτσι ότι είναι εκτεταμένη ποσότητα της Στατιστικής Μηχανικής. Τέλος εισάγεται η νέα μέθοδος του Δείκτη Γραμμικής Εξάρτησης (LDI) για τον διαχωρισμό χαοτικών και οργανωμένων τροχιών και αναφέρονται τα συγκριτικά της πλεονεκτήματα σε σχέση με τις μεθόδους των Κεφαλαίων 3 και 4. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι πολλά αποτελέσματα της διατριβής μπορούν να εφαρμοσθούν για τη μελέτη της δυναμικής συμπλεκτικών απεικονίσεων, για τις οποίες ο κ .Αντωνόπουλος ανέπτυξε μια νέα μέθοδο που συνδυάζει τη χρήση δικών του μεθόδων και των λεγόμενων Διαφοροεξελικτικών Αλγορίθμων, για την εύρεση της δυναμικής ακτίνας ευστάθειας συμπλεκτικών απεικονίσεων που περιγράφουν επιταχυντές σωματιδίων υψηλών ενεργειών. / The main part of the thesis begins with Chapter 3, where new research results are presented which concern the regular and chaotic dynamics of Hamiltonian systems of few degrees of freedom. Results are described on the behavior of indices distinguishing organized from chaotic motion in these systems and a comparison is made with corresponding results in the international literature. Then, new findings are reported on the theory and application of the method of the Generalized Alignment Index GALI, which is one of the most basic discoveries of the thesis in nonintegrable Hamiltonian systems of 2 and 3 degrees of freedom. Chapter 5 deals with the presentation of original research results in Hamiltonian systems of many degrees of freedom. Here new methods are introduced for the study of regions of regular and chaotic behavior of multi degree of freedom systems with the primary aim of understanding the behavior of these systems in the thermodynamic limit to give an answer to the crucial question of whether the laws of Statistical mechanics hold in the case of multi dimensional Hamiltonian systems. The author studies how chaotic regions increase in size around unstable Simple Periodic Orbits (SPOs) in phase space, beyond a critical value of the energy, while the transition from limited to widespread chaos is indicated by the fact that in regions of different unstable SPOs the corresponding Lyapunov spectra converge to the same exponential – like function. Computing then the sum of the positive Lyapunov exponents, which corresponds to the so called Kolmogorov – Sinai entropy, it is shown that the systems that are studied in this thesis the KS entropy increases linearly as a function of the number of degrees of freedom N, thus confirming that it is an extensive quantity of Statistical Mechanics. Finally, the new method of the Linear Dependence Index (LDI) is introduced for distinguishing between regular and chaotic orbits and its advantages are described when compared with the methods of Chapters 3 and 4. It is worth mentioning also that many of the results of this thesis can be applied to the study of the dynamics of symplectic mappings, for which Mr. Antonopoulos developed a new method which combines his techniques with those of Evolutionary Algorithms, for determining the dynamical aperture radius for the stability of symplectic maps which describe the dynamics of high energy particle accelerators.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε την κλασική δυναμική ατόμου υδρογόνου σε γενικευμένο δυναμικό Van der Waals. Το πρόβλημα ανήκει στην ευρύτερη κατηγορία των μη γραμμικών Χαμιλτώνιων δυναμικών συστημάτων. Σκοπός της μελέτης είναι η ανάλυση των ιδιομορφιών της κανονικής και χαοτικής κίνησης του συστήματος στο μιγαδικό πεδίο του χρόνου και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ολοκληρωσιμότητα και επιλυσιμότητά του. Εκείνο που θέλουμε να κατανοήσουμε, επίσης, είναι τον ρόλο που παίζει η εμφάνιση ιδιομορφιών σε κάποια σημεία του χώρου των φάσεων και κατά πόσο μπορούν αυτές να επηρεάσουν συνολικά τις ιδιότητες των λύσεων. Για πρώτη φορά, επίσης, στην διπλωματική αυτή εργασία εφαρμόζεται σε ένα Χαμιλτώνιο δυναμικό σύστημα μία νέα αριθμητική μέθοδος διάκρισης μεταξύ κανονικής και χαοτικής συμπεριφοράς σε διαφορετικές περιοχές του χώρου φάσεων, η μέθοδος των Μικρότερων Δεικτών Ευθυγράμμισης (Smaller Alignment Indices method ή SALI). Η μέθοδος αυτή έχει χρησιμοποιηθεί κατά το πρόσφατο παρελθόν σε απεικονίσεις δύο, τεσσάρων και έξι διαστάσεων με πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Χαρακτηριστικά της είναι η αποτελεσματικότητα και η δυνατότητα εξαγωγής χρήσιμων συμπερασμάτων ως προς την κανονική και χαοτική φύση των τροχιών ενός δυναμικού συστήματος με μεγαλύτερη ταχύτητα και αξιοπιστία από την μέθοδο των χαρακτηριστικών εκθετών Lyapunov καθώς και άλλων νεότερων μεθόδων στην σύγχρονη βιβλιογραφία. Εδώ θα παρουσιασθεί η μέθοδος αυτή με ορισμένες βελτιώσεις ώστε να μπορεί να εφαρμοσθεί σε συστήματα μη γραμμικών διαφορικών εξισώσεων οποιασδήποτε διάστασης ελέγχοντας συστηματικά ένα όσο πυκνό πλέγμα αρχικών συνθηκών του χώρου φάσεων επιθυμούμε, αντιστοιχώντας σε κάθε μία από αυτές ένα χρώμα. Κάθε χρώμα αντιστοιχεί και σε ένα διαφορετικό εύρος τάξεων του SALI δημιουργώντας έτσι μία συνολική εικόνα στο χώρο φάσεων που μας επιτρέπει να γνωρίζουμε τη φύση της τροχιάς κάθε συγκεκριμένης αρχικής συνθήκης. Σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο το "μωσαϊκό" του χώρου φάσεων και αποκαλύπτονται περιοχές κανονικής κίνησης, χαοτικής κίνησης καθώς και νησίδες ή περιοχές στις οποίες δεν αντιστοιχεί καθόλου κίνηση. / In this master thesis we study the classical dynamics of hydrogen atoms in a generalized Van der Waals potential. The problem belongs to the class of non linear Hamiltonian systems. Our aim is the singularity analysis of the ordered and chaotic motion of the system in the complex plain of time and the extraction of valuable conclusions concerning its integrability and solvability. What we want to understand, also, is the role of the emergence of singularities in some points of the phase space of the aforementioned system and how the singularities can affect globally the properties of the solutions. For the first time, in this master thesis, we introduce and apply in a Hamiltonian system a new numerical method for the fast and efficient discrimination between ordered and chaotic motion in different parts of phase space, namely the method of the Smaller Alignment Index (SALI). The method has been introduced and applied recently in mappings of two, four and six dimensions with very satisfactory results. Its main characteristics are the effectiveness and the ability of extracting valuable conclusions about the ordered and chaotic nature of trajectories of a dynamical system faster than the traditional method of Lyapunov exponents as well as of other indices in the bibliography. We will introduce SALI with appropriate modifications that help using it in non linear systems of differential equations of arbitrary dimensions checking systematically a dense grid of initial conditions and corresponding in every orbit a different color. Every color corresponds to a different range of SALI values creating by that way a global picture of the phase space that allows us to know the dynamic nature of initial conditions. By that way, we construct a “mosaic” of the phase space and reveal parts of ordered motion as well as parts of chaotic motion and islands of stability.

Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η βιβλιογραφική αναζήτηση, παράθεση και επιβεβαίωση παλαιότερων τεχνικών που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς για τη βέλτιστη στόχευση και ηλεκτρικό ερεθισμό δομών των βασικών γαγγλίων και του θαλάμου, αλλά και η αναζήτηση νέων τεχνικών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τόσο κατά τη διάρκεια του χειρουργείου όσο και μετά από αυτό. Το κύριο μέρος της εργασίας είναι η εύρεση νέων συνδυαστικών τεχνικών οι οποίες επηρεάζουν τη στόχευση των εν τω βάθει πυρήνων, και πιο συγκεκριμένα την διεγχειρητική στόχευση του υποθαλάμιου πυρήνα κατά την διάρκεια στερεοτακτικής και λειτουργικής νευροχειρουργικής Παρκινσονικών ασθενών, καθώς και ο καθορισμός συγκεκριμένων τροχιών μικρο/μακροηλεκτροδίων οι οποίες να μπορούν να εγγυηθούν μακροχρόνια θετικά κλινικά αποτελέσματα. Προτού αναφέρουμε λεπτομερώς αυτές τις τεχνικές, αναλύουμε τον τρόπο λειτουργίας του εν τω βάθει εγκεφαλικού διεγέρτη, αναφέρουμε κάποια ιστορικά ορόσημα στην ανάπτυξη της στερεοτακτικής και λειτουργικής νευροχειρουργικής και αναφέρουμε τους διαφόρους πυρήνες που έχουν διεγερθεί κατά καιρούς για την αντιμετώπιση των συμπτωμάτων διαφόρων νευρολογικών παθήσεων. Επίσης αναφέρουμε αρκετά ανατομικά στοιχεία (συνοδεία σχεδίων) των υπό διέγερση περιοχών καθώς και τη φυσιολογία που εμπλέκεται έτσι ώστε να έχουμε μείωση ή και εξάλειψη των διαφόρων νευρολογικών/ψυχιατρικών συμπτωμάτων. Αναφερόμαστε στη γενικότερη εφαρμογή του ηλεκτρισμού στην ιατρική καλύπτοντας τόσο το κεντρικό όσο και το περιφερειακό νευρικό σύστημα, σε ασθένειες οι οποίες παρουσιάζουν νευρολογικές και ψυχιατρικές εκφάνσεις, ενώ αναλύουμε και διεξοδικά τον μηχανισμό δράσης νευρολογικών ασθενειών από μοριακό επίπεδο μέχρι των αλλαγών που παρατηρούνται στα μετρήσιμα ηλεκτρικά πεδία τόσο των εν τω βάθει δομών όσο και του φλοιού. Στο τελευταίο κεφάλαιο αυτής της εργασίας αναλύουμε τις μετρήσεις μας που ελήφθησαν από 7 Παρκινσονικούς ασθενείς κατά τη διάρκεια χειρουργείου για την στόχευση και ερεθισμό του υποθαλάμιου πυρήνα, και αναφέρουμε πως με τη χρήση μη γραμμικής δυναμικής και χάους μπορούμε να επιτύχουμε το βέλτιστο κλινικό αποτέλεσμα. / The objective of the present thesis is the bibliographical research, instantiation and confirmation of various techniques that have been occasionally used for the most optimal targeting and electric stimulation of basal ganglia nuclei and thalamus, as well as the finding of new innovative techniques that can be used so much intraoperatively as much postoperatively. The main part of this thesis is the finding of new combined techniques that influence the targeting of deep brain nuclei, and more specifically the targeting of subthalamic nucleus during functional neurosurgery in parkinsonian patients, as well as the determination of specific trajectories of micro/macroelectrodes which can guarantee long-lasting positive clinical results. Before we report in detail these techniques, we analyze the function of the deep brain stimulator, we report certain historical landmarks in the growth of stereotactic and functional neurosurgery and we report the various nuclei that they occasionally have been stimulated for the amelioration of symptoms of various neurological diseases. Also we report many anatomical information (accompanied by drawings) of the areas under stimulation as well as the physiology that is involved so as to induce amelioration of various neurological/psychiatric symptoms. We have analyzed the more general application of electricity in the medicine covering so much the central as much the peripheral nervous system, the symptoms of diseases that present neurological and psychiatric manifestations, while we have analyzed in depth the mechanism of action of neurological diseases from molecular level up to the changes that are observed in the measurable electric fields from both deep brain nuclei and the cerebral cortex. In the last chapter of this thesis we analyze the electric activity that was measured intraoperatively from scalp and deep brain electrodes of 7 parkinsonian patients during targeting and stimulation of the subthalamic nucleus, and we report that with the use of non linear dynamics and chaos we can achieve the most optimal clinical result.

Η Κβαντική Πληροφορία είναι μια ιδιότητα των κβαντικών συστημάτων που σχετίζεται με την κβαντομηχανική επαλληλία και την συσχέτιση των συστημάτων σε Ενδιαπλοκή. Λόγω της αλληλεπίδρασης με το κλασικό περιβάλλον η Ενδιαπλοκή χάνεται ταχύτατα με συνέπεια να περιορίζεται δραματικά η πρακτική της χρησιμότητα. Πραγματοποιήθηκε διερεύνηση διαφόρων διατάξεων κβαντικών συστημάτων είτε σε αλληλεπίδραση με άλλα συστήματα είτε μεμονωμένων, αλλά με την συνθήκη το αντίστοιχο κλασικό μη γραμμικό σύστημα να είναι χαοτικό ή ολοκληρώσιμο. Ερευνητικά αποτελέσματα: 1. Ο ρυθμός μεταβολής της Ενδιαπλοκής με την μεταβολή μιας παραμέτρου σύζευξης φράσσεται από την καμπυλότητα των ενεργειακών επιπέδων. Το αποτέλεσμα έχει γενική ισχύ, διότι βασίζεται σε γενικές ιδιότητες των τυχαίων πινάκων που κωδικοποιούν την χαοτική ή την κανονική συμπεριφορά των συστημάτων,2. Ο ρόλος της λεπτομερούς δομής του κλασικού χώρου των φάσεων. Ερευνήθηκε η εξάρτηση της Ενδιαπλοκής από την τιμή παραμέτρου σύζευξης σε σχέση με το διάγραμμα διακλαδώσεων του Βηματικού Στρόβου, καθώς και σε σχέση με την ύπαρξη Κβαντικών Ουλών, 3. Η μη γραμμικότητα συστημάτων σε συνδυασμό με την παρουσία εξωτερικών πεδίων μπορεί να οδηγήσει σε βέλτιστες τιμές ορισμένων παραμέτρων που ευνοούν την δημιουργία Ενδιαπλοκής θερμικά. Μελετήθηκε κατάλληλο μοντέλο, 4. Κβαντικός δίαυλος βρίσκεται σε αλληλεπίδραση με το τοπικό περιβάλλον. Οι ιδιότητες του τοπικού περιβάλλοντος (χάος ή κανονικότητα) μπορούν να επηρεάσουν τις δυνατότητες του διαύλου, 5. Ένα ανοικτό κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με τοπικό κβαντικό περιβάλλον λίγων βαθμών ελευθερίας, καθώς και με ένα ολικό Μαρκοβιανό περιβάλλον και τελικά προκαλείται απώλεια κβαντικής συνάφειας. Διερευνήθηκε, αριθμητικά, ο τρόπος με τον οποίο, οι κλασικές ιδιότητες του τοπικού περιβάλλοντος επηρεάζουν τον ρυθμό απώλειας συνάφειας του συστήματος. / Quantum Information is a particular property of quantum systems which is associated with the quantum mechanical superposition principle and the correlation of the systems in the entangled states. Due to the interaction with the classical environment, this basic property of Entanglement is lost very quickly, with the result, its practical usefulness to be dramatically reduced. The present Thesis is concerned with the study of various arrangements of quantum systems either in interaction with other systems, or isolated, but with the condition that the corresponding classical non linear system is chaotic or integrable. Results presented in the thesis: 1. Τhe rate of change of entanglement of a quantum system with respect to the change of an interaction parameter is bounded by the curvature of the energy levels. This result has a general validity, because it is based on general properties of random matrices, which may encode the regular or chaotic behavior of physical systems, 2. The role of the detailed structure of the classical phase space. The dependence of entanglement on the position of a parameter of interaction in connection to the bifurcation diagram in the model of quantum kicked top was studied. An analysis was carried out for a possible impact of the existence of scars on the behavior of entanglement, 3. The non linearity of systems combined with the presence of external fields may lead to optimal values of certain parameters which favor the thermal creation of entanglement. A particular model was studied in which this behavior is observed, 4. A quantum channel is in interaction with its local environment. The question posed, is whether the properties of the local environment (chaos or integrability) may influence the capabilities of the channel, 5. An open quantum system interacts with a quantum local environment, which in general has few degrees of freedom, and a global infinite one. It was numerically investigated how the classical properties of the local environment Influence the decoherence rate of the system.