101 |
Development of novel imaging tools for selected biomedical applicationsOlarte, Omar E. 20 March 2014 (has links)
In the quest for better and faster images of cellular and subcellular structures, biology-oriented optical microscopes have advanced significantly in the last few decades. Novel microscopy techniques such as non-linear microscopy (NLM), including two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG) microscopy, and light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) are emerging as alternatives that overcome some the intrinsic limitations of standard microscopy systems. In this thesis I aimed to advance such techniques even more, and combine them with other photonic technologies to provide novel tools that would help to address complex biological questions. This thesis is organized in two main parts. The first part is dedicated to applications involving femtosecond lasers that are employed for precise microsurgery. For that, damage assessment methodologies based on NLM were developed and tested in relevant biomedical models. In the second part, wavefront engineering methods were employed to enhance the imaging capabilities of light-sheet microscopy systems. These novel methodologies were tested as well in relevant biological applications.
This thesis is, therefore, organized as follows:
In chapter 1, a brief and comprehensive review of the basic microscopy techniques employed in this thesis is presented, together with the challenges and achievements of this thesis in sequential order.
In chapter 2, a multimodal imaging methodology for the assessment of laser induced collateral damage is presented. This was specifically developed for the control of the damage in femtosecond-laser dissection of single axons within a living Caenorhabditis elegans (C. elegans). Here, it is shown that collateral damages at the level of the myosin structure of the muscles adjacent to the axon, can be readily detected.
In chapter 3, the optimized multimodal methodology developed in the chapter 2 was employed for minimally invasive dissection of axons of D-type motoneurons in C elegans. Here, a microfluidic chip for C elegans immobilization and a detailed protocol was employed to evaluate the axon regeneration of such neurons. The potential of such platform for testing drugs with regeneration-enhancing capabilities is also presented.
In chapter 4, a novel use of TPEF microscopy is presented to characterize and fine tune the laser for photodisruption of excised human crystalline lens samples.
In chapter 5, a thorough description of the implementation of a multimodal Digital Scanned Light-Sheet Microscope (DSLM) able to work in the linear and nonlinear regimes under either Gaussian or Bessel beam excitation schemes, is presented. The enhanced capabilities of the developed system is evaluated using in vivo C. elegans samples and multicellular tumor spheroids
In chapter 6, the development of a completely new concept in light sheet-based imaging is presented. This is based on the extension of the depth-of-field of the lens in the emission path of the microscope by using wavefront coding (WFC) techniques. Furthermore, I demonstrate the application of the developed methodology for fast volumetric imaging of living biological specimens and 3D particle tracking.
|
102 |
Dealing with ignorance: universal discrimination, learning and quantum correlationsSentís Herrera, Gael 28 March 2014 (has links)
Una de las tareas fundamentales de la Teor a de la Informaci on Cu antica
consiste en identi car el estado en que ha sido preparado un sistema cu antico.
Cuando las posibles preparaciones forman una lista nita de estados, el problema
recibe el nombre de discriminaci on de estados. El caso fundamental de
unicamente dos estados posibles se conoce tambi en bajo el nombre de contraste
de hip otesis. Una de las caracter sticas distintivas de la teor a cu antica
es el hecho de que para dos estados no ortogonales no hay medida concebible
que pueda identi car el estado del sistema con certeza. El indeterminismo
cu antico exige, por tanto, un enfoque probabil stico para llevar a cabo esta
tarea. Habitualmente se considera que los estados posibles del sistema son
conocidos para el experimentador. En esta tesis analizo el papel que desempe~
na la informaci on previa disponible en la tarea de discriminaci on y, en
particular, analizo situaciones en las que dicha informaci on es incompleta.
Suponiendo una total ignorancia de la identidad de los estados posibles,
estudio la probabilidad de error de una m aquina programable de discriminaci
on para estados de qubit. Esta m aquina incorpora la informaci on sobre
los estados en forma de programas de entrada donde se introducen los sistemas
cu anticos en las diferentes preparaciones. Es decir, la informaci on
es utilizada en su forma genuinamente cu antica, en lugar de como una descripci
on cl asica de los estados. Esta ignorancia cl asica se tiene en cuenta en
el dise~no de la m aquina, la cual ya no es espec ca para cada caso, sino que es
capaz de discriminar entre cualquier par de estados de qubit, una vez ha sido
convenientemente programada mediante las entradas de estados cu anticos.
Estudio en detalle el rendimiento optimo de estas m aquinas para estados de
qubit generales cuando se dispone de un n umero de copias arbitrario, tanto
de los programas como del estado que se ha de identi car. Espec camente,
obtengo las probabilidades de correcta identi caci on en los esquemas usuales de error m nimo y discriminaci on no ambigua, as como en el esquema m as
general de discriminaci on con margen de error.
A continuaci on, este tipo de automatizaci on en tareas de discriminaci on
se lleva un paso m as all a. Entendiendo una m aquina programable como
un dispositivo entrenado con informaci on cu antica que es capaz de realizar
una tarea espec ca, propongo una m aquina de aprendizaje cu antico para
clasi car estados de qubit que no requiere una memoria cu antica para almacenar
los qubits de los programas, permitiendo as repetidos usos de la
m aquina sin necesidad de volver a entrenarla. Demuestro que dicha m aquina
de aprendizaje es capaz de clasi car el estado de un qubit con la m nima
tasa de errores admitida por la mec anica cu antica, y por tanto puede ser
reusada manteniendo un rendimiento optimo. Tambi en estudio un esquema
de aprendizaje similar para estados de luz coherente. Este se presenta en
un contexto de lectura de una memoria cl asica mediante se~nales coherentes
correlacionadas cl asicamente cuando estas son producidas por una fuente imperfecta
y, por lo tanto, en un estado con un cierto grado de incertidumbre
asociado. Muestro que la extracci on de la informaci on almacenada en la
memoria es m as e ciente si la incertidumbre se trata de una forma completamente
cu antica.
Por ultimo, analizo la estructura matem atica de las medidas cu anticas
generalizadas, omnipresentes en todos los temas tratados en esta tesis. Propongo
un algoritmo constructivo y e ciente para descomponer cualquier medida
cu antica en una combinaci on convexa estad sticamente equivalente de
medidas m as simples (extremales). Estas en principio son menos costosas de
implementar en un laboratorio y, por tanto, pueden ser utiles en situaciones
pr acticas donde a menudo prevalece una perspectiva de recursos m nimos. / Discriminating the state of a quantum system among a number of options
is one of the most fundamental operations in quantum information theory.
A primal feature of quantum theory is that, when two possible quantum
states are nonorthogonal, no conceivable measurement of the system can
determine its state with certainty. Quantum indeterminism so demands a
probabilistic approach to the task of discriminating between quantum states.
The usual setting considers that the possible states of the system are known.
In this thesis, I analyze the role of the prior information available in facing
a quantum state discrimination problem, and consider scenarios where the
information regarding the possible states is incomplete.
In front of a complete ignorance of the possible states' identity, I discuss a
quantum programmable discrimination machine for qubit states that accepts
this information as input programs using a quantum encoding, rather than
just as a classical description. This \classical" ignorance is taken into account
in the design, and, as a consequence, the machine is not case-speci c but it
is able to handle discrimination tasks between any pair of possible qubits,
once conveniently programmed through quantum inputs. The optimal per-
formance of programmable machines is studied in detail for general qubit
states when several copies of the states are provided, in the main schemes
of unambiguous and minimum-error discrimination as well as in the more
general scheme of discrimination with an error margin.
Then, this type of automation in discrimination tasks is taken further.
By realizing a programmable machine as a device that is trained through
quantum information to perform a speci c task, I propose a quantum learning
machine for classifying qubit states that does not require a quantum memory
to store the qubit programs. I prove that such learning machine classi es
the state of a qubit with the minimum-error rate that quantum mechanics
permits, thus allowing for several optimal uses of the machine without the need of retraining. A similar learning scheme is also discussed for coherent
states of light. I present it in the context of the readout of a classical memory
by means of classically correlated coherent signals, when these are produced
by an imperfect source and hence their state has some uncertainty associated.
I show that the retrieval of information stored in the memory can be carried
out more accurately when fully general quantum measurements are used.
Finally, I analyse the mathematical structure of generalized quantum
measurements, ubiquitous in all the topics covered in this thesis. I pro-
pose a constructive and e cient algorithm to decompose any given quantum
measurement into a statistically equivalent convex combination of simpler
(extremal) measurements, which are in principle less costly to implement in
a laboratory. Being able to compute this type of measurement decomposi-
tions becomes useful in practical situations, where often a minimum-resources
perspective prevails.
|
103 |
Revestimientos a base de sílica e ácido fosfônico para proteção anticorrosiva da liga de alumínio AA2024-T3Dalmoro, Viviane 04 November 2013 (has links)
Tesi realitzada en co-tutela (Universidade Federal do Rio Grande do Sul -Brasil- i Universtitat Politécnica de Catalunya) / The aluminum alloy AA2024-T3, u sed extensively in the aerospace industry, dueto the heterogeneous microstructures
intentionally designed to optím ize the m echanical properties, is very susceptible to localízed corros ion. In order to preven! the
corros ion several surface treatments have been investigated to replace the chromate treatment and, in thís way, sílica based
films can be regarded as a promising alternatíve.
The aim ofthis work ís the obtaíníng, development and characterízation offilms vinyltrímethoxysilane (VfMS) combíned wíth
tetraethylorthosílícate (TEOS) or y-glycídoxypropyltrímethoxysílane in the presence and absence of ethylenedíamíne
tetrametílene phosphoníc a cid (EDTPO) as pretreatments agaínst corros ion of alumínum alloy AA2024-T3 in NaCI 0.05 mol
L-1. Furthermore, ít was investígated the effect of addíng clayto sol-gel hybríd matríx and sílica nanoparticles to the matrix of
VfMS/GPTMS films containing EDTPO. Different ratios of precursor and silica concentrations of phosphonic acid andel ay
were evaluated. The anticorrosíve properties ofthe alloycoated with the modífied sílíca films were studied using
electrochemical impedance spectroscopy (El S) after different immersion times. The chemical structure ofthe films and the
starting solutíons were characterízed by ínfrared spectroscopy (FT-IR), whíle the morphology and com posítion of the film s
were examíned on usíng Scanníng Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy X-Ray (E O X) and 1 or
Photoelectron Spectroscopy X-Ray (XPS). The results obtained were posítive for the corros ion protectíon of AA2024 using the
coatings obtaíned by the sol-gel method and modífied with phosphonic a cid.
Mer optimization ofthe coatings of silica and silica/phosphonic acid we applied !he bes! systems as anticorrosíve
pretreatments and adhesion promoters for one epoxy primer paínt. Accelerated corros ion tests allowed check the beneficia!
action ofthe silica layer as anchoring system for the epoxy paint. lt was found that the systems composed by: silica/epoxy
paint and silica + phosphonic acid/epoxy paint and silica/ epoxy paint modified with conducting polymer provide effective
corros ion protection for the alloy AA2024-T3.
The results deríved from the present thesis have been accepted or have been sent for publicatíon in ínternational journals
and also reported in sorne international congresses, as we point below:
[1] V. Dalmoro, J . H. Z. dos Santos, E. Armelin, C. Alemán, O. S. Azambuja, Phosphonic acid/silica-based films: A potential
treatm en! for corros ion protection, Corros. Sci. 60 (2012) 173-180.
[2] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelín, C. Alemán, D. S. Azambuja, A synergistic combination oftetraethylorthosilicate
and multiphosphonic acid offers excellent corros ion protectíon to AA1100 aluminum alloy, Appl. Surf. Sci . 273 (2013)
758-768.
[3] V. Dalmoro, J . H. Z. dos Santos, l. M. I.M. Baibich, E. Armelin, C. Alemán, O. S. Azambuja Cooperatíve effect between
VfMS/TEOS and phosphonic acid for corros ion protection of AA2024, Submitted, 2013.
[4] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelín, C. Alemán, D. S. Azambuja, Organosílane and Montmorílloníte-based hybríd
films produced by sol-gel: A potencial treatrnent for corros ion of AA2024, Manuscript on preparation, 2013.
[5] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelin, C. Alemán, D. S. Azambuja, Characterization ofTEOS/phosphoníc acíd films,
63rd Annual Meeting of lnternatíonal Socíety of Electrochem ís try 19-24 August 2012, Prague, Chech Republíc / A liga de alumínio AA2024-T3, extensivamente empregada na indústria aeronáutica, devido as microestruturas heterogêneas intencionalmente desenvolvidas para otimizar as propriedades mecânicas é susceptível a corrosão localizada. Com o intuito de prevenir a corrosão vários tratamentos de superfície têm sido investigados para substituir o tratamento de cromatização, e os filmes a base de sílica podem ser considerados como uma alternativa promissora.
O objetivo deste trabalho é a obtenção, desenvolvimento e caracterização de filmes de viniltrimetoxisilano (VTMS) combinado com tetraetilortosilicato (TEOS) ou γ-glicidiloxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) na presença e na ausência de ácido 1,2-diaminoetanotetrametileno fosfônico (EDTPO) como pré-tratamentos contra a corrosão da liga de alumínio AA2024-T3 em NaCl 0,05 mol L-1. Além disso, foi investigado o efeito da adição de argila na matriz híbrida sol-gel e de nanopartículas de sílica na matriz VTMS/GPTMS contendo EDTPO. Diferentes razões de precursores de sílica e concentrações de ácido fosfônico e de argila foram avaliadas. As propriedades anticorrosivas da liga com os filmes foram estudadas usando espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) após diferentes tempos de imersão. A estrutura química dos filmes e das soluções de partida foi determinada por espectroscopia de infravermelho (FT-IR), enquanto que a morfologia e composição dos filmes foram examindas através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDX) e/ou Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X (XPS). Os resultados alcançados foram satisfatórios para a proteção contra a corrosão da AA2024 utilizando os revestimentos obtidos a partir do processo sol-gel e modificados com ácido fosfônico.
Após a otimização dos revestimentos de sílica e de sílica/ácido fosfônicos estes sistemas foram avaliados como pré-tratamentos anticorrosivos e promotores de adesão de pintura epóxi comercial. Ensaios acelerados de corrosão permitiram comprovar a ação benéfica da camada de sílica como sistema de ancoragem da pintura epóxi. Foi verificado que os sistemas constituídos por sílica/pintura epóxi, sílica + ácido fosfônico/pintura epóxi e sílica/pintura epóxi modificada com polímero condutor propiciam uma efetiva proteção contra a corrosão da AA2024-T3. / La aleación de aluminio AA2024-T3, que se utiliza ampliamente en la industria aeronáutica, debido a las microestructuras heterogéneas intencionadamente diseñadas para optimizar las propiedades mecánicas, es muy susceptible a la corrosión localizada. Para prevenir la corrosión diversos tratamientos de superficie han sido investigados para reemplazar el tratamiento con cromato, en este sentido las películas a base de sílice constituyen una alternativa prometedora.
El objetivo de este trabajo es la obtención, desarrollo y caracterización de películas de viniltrimetoxisilano (VTMS) combinado con tetraetilortosilicato (TEOS) o γ-glicidiloxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) en presencia y ausencia de ácido etilendiamina tetrametilenofosfônico (EDTPO) como tratamientos previos contra la corrosión de la aleación de aluminio AA2024-T3 en NaCl 0,05 mol L- 1. Por otro lado, se investigó el efecto de la adición de arcilla en la matriz híbrida y la presencia de nanopartículas de sílice a la matriz sol-gel VTMS/GPTMS que contienen EDTPO. Se evaluaron diferentes proporciones de concentraciones de sílice y precursores de ácido fosfónico y arcilla. Las propiedades anticorrosivas de la aleación recubierta con los filmes de sílice modificados se estudiaron mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) después de diferentes tiempos de inmersión. La estructura química de los filmes y de las soluciones de partida se caracterizaron por espectroscopia de infrarrojo (FT-IR), mientras que la morfología y la composición se examinaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de energía dispersiva de rayos-X (EDX) y/o espectroscopia de fotoelectrones de rayos-X (XPS). Los resultados obtenidos son positivos para la protección contra la corrosión del AA2024-T3 con el uso de los recubrimientos preparados con el método sol-gel y modificado con ácido fosfónico.
Después de la optimización de los recubrimientos de sílice y sílice/ácido fosfónico, se aplicó los mejores sistemas como tratamientos anticorrosivos y promotores de la adherencia de una pintura epoxi de imprimación. Los ensayos de corrosión acelerados permitieron comprobar la acción beneficiosa de la capa de sílice como sistema de anclaje de la pintura epoxi. Se encontró que los sistemas compuestos por: la sílica/pintura epoxi, sílica + ácido fosfónico/pintura epoxi y sílica/pintura epoxi modificada con polímero conductor proporcionan una protección eficaz contra la corrosión de la aleación AA2024-T3.
|
104 |
Spectroscopy and confocal imaging of complex ferroic systemsVlašín, Ondrej 17 February 2014 (has links)
En las nuevas aplicaciones basadas en sistemas ferroicos a menudo
se consideran las paredes de dominio como portadores de la información.
Asimismo, la necesidad de satisfacer la ley de Moore requiere
una reducción drástica de las dimensiones de los dispositivos a comercializar.
Aunque ya existen métodos para estudiar la dinámica
de los dominios a nanoescala, éstos son muy lentos y caros, además
es muy complicado medir las propiedades magnéticas y eléctricas simultáneamente.
Esto crea la necesidad de un método intermedio que
ofrezca resolución lateral submicrométrica y cortos tiempos de medición
y que, al mismo tiempo, proporcione suficiente información
sobre todas las propiedades ferroicas de un sistema.
Para solucionar este problema, hemos desarrollado varios métodos
ópticos que amplían las posibilidades de caracterización multiferroica.
Por un lado, hemos desarrollado un montaje experimental
magneto-óptico Kerr que permite trabajar bajo campos eléctricos aplicados
in-situ en un rango de frecuencias ajustables. Mediante esta
aproximación experimental, hemos podido separar y cuantificar diferentes
contribuciones al acoplamiento magnetoeléctrico (mediado
por tensión superficial y/o por efectos de superficie) y hemos podido
analizar su dinámica específica por separado. Por otro lado, hemos
podido obtener una cartografía directa del acoplamiento magnetoeléctrico
con una resolución lateral submicrónica, mediante al desarrollo
de un microscopio confocal sensible a la polarización de la luz.
En experimentos realizados en BTO / LSMO se observaron cambios
inducidos por un campo magnético en la respuesta ferroeléctrica en
torno al 50% en promedio, con variaciones de hasta un 20 %.
Finalmente, hemos estudiado r el origen del aumento de la respuesta
magneto-óptica a frecuencias resonantes con plasmones en cristales
magnetofotónicos. Estos resultados abren nuevas perspectivas en dispositivos
basados en la física de plasmones, con aplicaciones en comunicaciones
ópticas y en detección. En esta línea, hemos desarrollado
un marco teórico unificado que permite modelar las señales magnetoópticas
de soluciones coloidales en un rango amplio de frecuencias
en el visible. El modelo que proponemos muestra una excelente concordancia
con los datos medidos experimentalmente en soluciones
coloidales de nanopartículas de níquel en hexano y en tolueno, utilizando
solamente las propiedades ópticas tabuladas de los materiales,
sin ajustar ningún parámetro. Estos resultados abren nuevas perspectivas
en materiales compuestos metal/dieléctrico, para dispositivos
innovadores basados en plasmones, que explotan la polarización de
la luz en vez de los cambios en reflectancia óptica. / New applications of ferroic systems often consider domain wall as
carrier of information. Understanding of the nature of domain structure
and its dynamics is therefore essential. At the same time the
omnipresent need of keeping up with Moore law demands the dimensions
of commercialized devices to decrease drastically. Hence
the resolution of classical optical Kerr microscopy does not suffice
anymore. Methods for studying domain dynamics at nanoscale are
available, but are very time consuming and expensive. It’s extremely
complicated to measure both magnetic and electric properties simultaneously.
This creates a need for an intermediate method that offers
sub-micron lateral resolution and short measurement times, yet produces
enough information about all ferroic properties of a system.
To address this issue we developed several optical methods that
expand the possibilities of multiferroic characterization. An electric
field frequency spectrum magneto-optical Kerr effect setup allows for
an effective separation and quantification of surface and strain mediated
magnetoelectric coupling effects as demonstrated on Co/ lead
zirconate titanate (PZT) ferroic multilayers. Direct electro-magnetic
domain mapping with sub-micron lateral resolution was made possible
with cryostat ready polarization sensitive confocal microscope.
Magnetic field induced changes in ferro-electric response around 50%
with 20% variations were observed on barium titanate (BTO)/ lanthanum
strontium manganite (LSMO) structure.
Furthermore, enhancements to magneto-optical Kerr-effect (MOKE)
spectroscope enabled study of the origin of magneto-optical enhancement
at plasmonic frequencies in magneto-photonic crystals. This
paves the way to plasmon-devices with optimal performance for applications
in optical communications and sensing. In this line, we developed
a unified theoretical frame for modeling of both saturating
and non-saturating magneto-optical effects in diluted colloidal dispersions
of magnetic nanoparticles. The model shows remarkably good
agreement with experimental data obtained from nickel nanoparticles
in hexane and toluene using only tabulated data and no fitting.
Hence we can envision the use of optimized hybrid metal/ dielectric
composites as platforms for new optical devices and especially for innovative
plasmon-based sensors exploiting light polarization instead
of reflectance.
|
105 |
Measurement of alpha(s) with Scaling violations in e+e- annihilationsPadilla, Cristòfol 01 September 1995 (has links)
No description available.
|
106 |
Mesoscale hydrodynamics around the Balearic Islands: spatio-temporal variability and its relation with shing resources.Amores Maimó, Angel Miguel 09 July 2014 (has links)
The Balearic Islands, located in the Western Mediterranean Sea, are the natural
limit between the Balearic subbasin, at the noth and the Algerian subbasin,
at the south. Previous studies based on hydrographic data have revealed that
each of the basins have a di erent oceanographic climatology. One one hand, the
Balearic subbasin has colder and saltier waters as a result of the water modi -
cation during the cyclonic circulation of the Mediterranean Sea. On the other,
the Algerian subbasin waters are warmer and fresher, incoming directly from the
Atlantic Ocean and entering into the Mediterranean through the Strait of Gibraltar.
These two subbasins are connected via the topographic channels between the
islands, whose hydrodynamic properties are governed by the mesoscale situation:
non-permanent small scale phenomena (.100 km). Studying the mesoscale situation
around the Balearic Islands can be useful for understanding how the water
exchanges between the two subbasins are. Moreover, mesoscale structures, such
as eddies, laments or fronts, can temporarily change the hydrodynamic conditions.
When it occurs, mesoscale variability not only a ects the hydrodynamic
conditions (water exchanges, alteration of the main currents, . . . ), but may also
impact on the local ecosystems.
Understanding how the shing resources from the Balearic Islands are a ected
by the mesoscale hydrodynamic situation has been one of the objectives of the
IDEADOS project (CMT2008-04489-C03-01), the framework in which this thesis
has been developed. The project focused in two areas of shing interest: one located
northwards of Mallorca Island, in the Balearic subbasin (Sóller), and another
placed southwards, inside the Mallorca Channel (Cabrera). As part of the above
mentioned research project, two mooring lines were deployed, one in the limit of
each shing ground and were maintained during 15 months. Using recorded data
from the moorings, together with satellite observations and landing data from different
species, we addressed questions such as: How is the hydrodynamic activity
in each zone and which are the similarities and/or di erences between both places
from an oceanographic perspective? Which are the main features of the mesoscale
phenomena detected? And, how does the hydrography a ect the sediment ux
dynamics and the shing resources of each zone?
The chapters of this thesis, which correspond to published articles in scienti c
journals, are organized following the previous questions. In the rst chapter the
data recorded by each mooring is analyzed with the aim of characterizing each
zone and compare them. Derived from this study and in the second chapter, one of the mesoscale events detected in Sóller is deeply analyzed. This structure was an
eddy which lasted about one month, reached down to the sea oor and completely
changed the mean oceanographic properties in the complete water column. In
the third chapter, the data collected by the sediment traps is analyzed and a
relationship between the sediment uxes measured and the possible triggering
mechanisms is addressed. Finally, a study about the relationship between the
observed hydrodynamics and the red shrimp (Aristeus antennatus) dynamics is
performed. It is observed that the adult individuals of red shrimp would be
a ected by the bottom turbidity generated by the mesoscale phenomena. In turn,
they would respond moving away from the shing grounds, probably towards
greater depths. As the main mesoscale events take place in Sóller during winter
time, this could provoke the reported reduction of the amount of large individuals
of red shrimp caught during this part of the year in this shing ground.
The results of this thesis reinforce the lately recognized theory that shing
resources are not only a ected by their exploitation or the self oscillations of the
ecosystem (biotic factors), but they are also in uenced by the changing oceanographic
situation (abiotic factor). / Las Islas Baleares, situadas en el Mar Mediterráneo Occidental, son el límite
natural entre la subcuenca Balear, al norte y la subcuenca Argelina, al sur.
Estudios previos basados en datos hidrográ cos han revelado que cada una de
las cuencas posee una climatología oceanográ ca característica: la subcuenca
Balear contiene aguas más frías y salinas como resultado de la modi cación de
las aguas durante la circulación ciclónica del Mediterráneo, mientras que la
subcuenca Argelina contiene aguas más calientes y menos salinas provenientes
directamente de aguas Atlánticas que entran por el estrecho de Gibraltar. Estas
dos subcuencas están conectadas a través de los canales entre las islas, cuya
hidrodinámica está dominada por la situación de mesoscala: fenómenos de escala
pequeña (.100km) y que no son permanentes en el tiempo. Intentar conocer
mejor la situación de mesoscala alrededor de las Islas Baleares puede ayudar a
entender como son los intercambios de aguas entre las dos subcuencas. Además,
los fenómenos asociados a la mesoscala, como son los vórtices, lamentos o
frentes, pueden cambiar por completo la hidrodinámica temporalmente. En ese
instante, los efectos de la mesoscala se extienden, no sólo a la oceanografía física
(intercambio de aguas, alteración de las principales corrientes, entre otras), sino
que también puede afectar a los ecosistemas de la zona.
Entender como se ven afectados los recursos pesqueros de las Islas Baleares por
la situación hidrodinámica de mesoscala ha sido uno de los objetivos del proyecto
IDEADOS (CMT2008-04489-C03-01), marco en el que se ha desarrollado esta
tesis. El proyecto se centró en el estudio de dos zonas de pesca: una situada al
norte de Mallorca, dentro de la subcuenca Balear y conocida como Sóller, y una localizada más al sur, dentro del canal de Mallorca y conocida como Cabrera. Para
recoger los datos oceanográ cos necesarios para la elaboración de este estudio, se
instaló una línea de fondeo durante 15 meses en el límite de cada una de las zonas
de pesca. Con estos datos y con la ayuda de datos de satélite y de capturas de
diferentes especies, se ha intentado dar respuesta a preguntas como: ¾cómo es la
hidrografía de cada una de las zonas y cuales son las similitudes o diferencias entre
las dos zonas? ¾Qué características tienen los fenómenos de mesoscala detectados?
Y, ¾cómo afecta la hidrografía a la dinámica del ujo de sedimentos y a los recursos
pesqueros de cada zona?
Los capítulos de resultados de esta tesis, que son reproducciones eles de los
artículos publicados en revistas cientí cas, están organizados para intentar
responder a las preguntas acabadas de plantear. En el primer capítulo se
analizan los datos recogidos por cada uno de los fondeos con el objetivo de fondo
de caracterizar cada una de las zonas y compararlas entre ellas. Derivado de este
estudio, ya en el segundo capítulo, se analiza en detalle uno de los eventos de
mesoscala más intensos que se registró en Sóller: un vórtice que duró alrededor
de un mes, llegando al fondo marino y que cambió por completo las propiedades
oceanográ cas promedio de la zona en toda la columna de agua. En el tercer
capítulo se estudian los datos provenientes de cada una de las trampas de
sedimentos presentes en los fondeos y se relacionan los ujos totales de masa
recogidos con los posibles mecanismos generadores. Finalmente, se elabora un
estudio sobre la relación de la hidrodinámica y las capturas de gamba roja
(Aristeus antennatus). Se deduce que los individuos adultos de gamba roja se
verían afectados por la turbidez de fondo generada por los fenómenos de
mesoscala, y responderían alejándose de las zonas de pesca, probablemente hacia
profundidades mayores. Ya que los eventos de mesoscala más importantes se dan
en Sóller y principalmente en invierno, esto provocaría que la cantidad de gamba
roja grande capturada durante esta época del año se viese reducida en este
caladero.
Los resultados de esta tesis refuerzan la teoría de que los recursos pesqueros
no sólo se ven afectados por su explotación o por las oscilaciones del propio
ecosistema (factores bióticos) sino que también se ven in uenciados por la
situación oceanográ ca cambiante (factor abiótico). / Les Illes Balears, situades a la Mar Mediterrània Occidental, són el límit
natural entre la subconca Balear, al nord, i la subconca Algeriana, al sud.
Estudis previs basats en dades hidrogrà ques han revelat que cada una de les
conques posseix una climatologia oceanogrà ca característica: la subconca
Balear conté aigües més fredes i salines com a resultat de la modi cació de les
aigües durant la circulació ciclònica a la Mediterrània, mentre que la subconca
Algeriana conté aigües més calentes i menys salines provenents directament d'aigües Atlàntiques que entren per l'estret de Gibaltar. Aquestes dues
subconques estan connectadas a través dels canals entre les illes, la
hidrodinàmica dels quals està dominada per la situació de mesoscala: fenòmens
d'escala més petita (. 100km) i que no són permanents en el temps. Intentar
conèixer millor la situació de mesoscala al voltant de les Illes Balears pot ajudar
a entendre com són els intercanvis d'aigües entre les dues subconques. A més, els
fenòmens associats a la mesoscala, com són vòrtexs, laments o fronts, poden
canviar per complet la hidrodinàmica temporalment. En aquest moment, els
efectes de la mesoscala s'extenen, no tan sols a la ocenogra a física (intercanvi
d'aigües, alteració de les principals corrents, entre d'altres), sinó que també
poden afectar als ecosistemes de la zona.
Entendre com es veuen afectats els recursos pesquers de les Illes Balears per
la situació hidrodinàmica de mesoscala ha estat un dels objectius del projecte
IDEADOS (CMT2008-04489-C03-01), marc en el que s'ha desenvolupat aquesta
tesi. El projecte es va centrar en l'estudi de dues zones de pesca: una situada al
nord de Mallorca, dins la subconca Balear i coneguda con Sóller, i una localitzada
més al sud, dins al canal de Mallorca i coneguda com Cabrera. Per recollir les
dades oceanogrà ques necessàries per a l'elaboració de l'estudi, es va instal lar
una línia de fondeig durant 15 mesos al limit de cada una de les zones de pesca.
Amb aquestes dades i amb l'ajuda de dades de satèl lit i de captures de diferents
espècies, s'ha intentat donar resposta a qüestions com: com es la hidrogra a de
cada una de les zones i quines són les similituts o diferencies entre les dues zones?
Quines característiques tenen els fenòmens de mesoscala detectats? I, com afecta
la hidrogra a a la dinàmica del uxe de sediments i als recursos pesquers de cada
zona?
Els capítols de resultats d'aquesta tesi, que són reproduccions dels dels articles
publicats en revistes cientí ques, estan organitzats per intentar respondre a les
preguntes plantejades abans. En el primer capítol s'analitzen les dades recollides
per cada un dels fondejos amb l'objectiu de fons de caracteritzar cada una de
les zones i comparar-les entre elles. Derivat d'aquest estudi, en el segon capítol,
s'analitza en detall un dels events de mesoscala més intens que es va enregistrar
a Sóller: un vòrtex que durà al voltant d'un mes, arribant al fons marí i que
canvià per complet les propietats oceanogrà ques promig de la zona en tota la
columna d'aigua. En el tercer capítol s'estudien les dades provinents de cada
una de les trampes de sediments presents als fondejos i es relacionen els uxes
totals de massa recollits amb els possibles mecanismes generadors. Finalment,
s'elabora un estudi sobre la relació de la hidrodinàmica i les captures de gamba
vermella (Aristeus antennatus). En ell es dedueix que els individus adults de
gamba vermella es veurien afectats per la terbolesa de fons generada pels fenòmens
de mesoscala, i respondrien allunyant-se fora de la zona de pesca, probablement
cap a profunditats majors. Com que els events més importants de mesoscala es
donen a Sóller i principalment a l'hivern, això faria que la quantitat de gamba
vermella grossa capturada durant aquesta època de l'any es ves reduïda a aquest
calader. Els resultats d'aquesta tesi reforcen la teoria de que els recursos pesquers no sols
es veuen afectats per la seva explotació o per les oscil lacions del propi ecosistema
(factors biòtics) sinó que també es veuen in uenciats per la sitació oceanogrà ca
canviant (factor abiòtic).
|
107 |
Non-linear nanoelectromechanical systems for energy harvestingLópez Suárez, Miquel 30 April 2014 (has links)
Les Tecnologies de la Informació i la Comunicació (TICs) es troben arreu i experimenten un creixement del 5% cada any amb aplicacions en diverses àrees que comprenen des de la telefonia mòbil al control mèdic de la salut. Les TICs són, en part, responsables de l'extraordinari increment en la quantitat d'informació intercanviada en tot el món contribuint considerablement al que es coneix com la petjada de CO2. Avui dia, es dediquen molts esforços en disminuir dràsticament la potència elèctrica necessària per a la computació d'un bit d'informació amb l'objectiu d'assolir el límit de Landauer que estableix el mínim d'energia requerida en 2.85 zJ: el límit físic per a la unitat d'informació. El ràpid desenvolupament de l'electrònica de baix consum i la seva miniaturització ha obert la porta a la possibilitat de dissenyar tecnologies portàtils i autoalimentades. A més a més, el desenvolupament d'aquest tipus de dispositius representa un punt clau de cara a evitar el recanvi o recàrrega de les bateries convencionals. La recol·lecció d'energia provinent de vibracions mecàniques representa una opció molt atractiva per a l'alimentació d'aquest tipus de dispositius en termes de disponibilitat i densitat de potència.
L'objectiu de la present tesi és proporcionar una revisió de l'estat de l'art i trobar noves estratègies per incrementar el rendiment de les tecnologies de recol·lecció d'energia de les vibracions mecàniques. L'increment de la potència generada mitjançant la inducció d'un comportament biestable és estudiat a la micro i a la nanoescala, quan les vibracions presents en l'ambient venen caracteritzades pel seu extens ample de banda i la seva baixa intensitat, en comparació al rendiment proporcionat per les estratègies estàndards basades en l'ús de ressonadors.
|
108 |
On thermal transport by phonons in bulk and nanostructured semiconductor materialsde Tomás Andrés, Carla 29 October 2014 (has links)
La presente tesis doctoral versa sobre el transporte de calor llevado a cabo por los fonones en sólidos cristalinos semiconductores. La motivación de este trabajo es doble. En primer lugar, se pretende contribuir a entender mejor cómo funciona el transporte de calor a distintas escalas de tamaño: desde semiconductores con tamaño bulk (del orden de milímetros o mayores) hasta semiconductores nano-estructurados, como por ejemplo nanocables o láminas finas, cuyos tamaños característicos están en la escala nanométrica. La intención es describir dicho transporte de calor en estas escalas en un amplio rango de temperaturas, prestando especial atención a las colisiones entre fonones, pues son la causa intrínseca de la propagación del calor en los sólidos cristalinos semiconductores. En segundo lugar, se pretende mejorar la capacidad de predicción a la hora de describir el comportamiento de la conductividad térmica de los semiconductores más comunes por su implicación en procesos termoeléctricos, como son el silicio, el diamante, el germanio y el bismuto de telurio.
Para lograr alcanzar estos objetivos, es necesario formular un nuevo modelo que nos permita superar las dificultades asociadas a los modelos ya existentes, con el objetivo de cumplir dos condiciones muy deseables. Por un lado, obtener una expresión general para la conductividad térmica válida para diferentes materiales, que pueda ser aplicada a muestras de dichos materiales con diferentes composiciones isotópicas, diferentes tamaños (desde la macro hasta la nano-escala) y con diferentes geometrías. Por otro lado, dicha expresión deberá tener el menor número posible de parámetros ajustables para asegurar la fiabilidad del modelo. La potencialidad de dicho modelo radicaría en servir como herramienta a la hora de guiar el diseño de dispositivos termoeléctricos más eficientes.
La presente tesis se organiza en 8 capítulos ordenados de la siguiente manera:
En el capítulo 1 se contextualiza el tema en el que está enmarcado el presente trabajo de investigación y se presentan los conceptos físicos necesarios para trabajar con el transporte fonónico. En el segundo capítulo se desarrolla la dinámica de la red para los distintos materiales que serán objeto de estudio en el presente trabajo, en particular se aplica el modelo Bond-charge para obtener las relaciones de dispersión y la densidad de estados de los semiconductores del grupo IV (silicio, germanio, diamante y estaño gris) y análogamente se aplica el modelo Rigid-ion sobre el bismuto de telurio para obtener sus relaciones de dispersión y densidad de estados. Los tiempos de relajación apropiados para dichos materiales se discutirán en detalle en el capítulo 3, proponiendo nuevas expresiones empíricas para describir las interacciones fonón-fonón. En el capítulo 4 se introducen y discuten los modelos de conductividad térmica más representativos de la literatura y a continuación se presenta un nuevo modelo para predecir la conductividad térmica: el modelo Kinetic-collective, cuya principal característica consiste en interpretar el transporte de calor en dos regímenes diferentes, el primero de ellos de tipo cinético donde los fonones son tratados como partículas libres y el segundo de tipo colectivo donde todos los fonones que participan en el transporte pierden su individualidad y se comportan como una colectividad de partículas. En el capítulo 5 el modelo Kinetic-collective se aplica a silicio bulk con diferentes composiciones isotópicas, y a varias muestras de silicio nanoestructuradas con diferentes geometrías y tamaños efectivos. Se obtienen predicciones de la conductividad térmica en un amplio intervalo de temperaturas que concuerdan satisfactoriamente con las medidas experimentales y se discuten diversos aspectos novedosos sobre el transporte fonónico. En el capítulo 6 el modelo Kinetic-collective se aplica al resto de materiales componentes del grupo IV de semiconductores y se obtiene una relación teórica que nos permite predecir los valores de los parámetros libres asociados a los tiempos de relajación de dichos materiales y así poder predecir sus conductividades térmicas sin la necesidad de añadir nuevos parámetros. En el capítulo 7 vamos un paso más allá y aplicamos el modelo a bismuto de telurio, obteniendo predicciones de la conductividad térmica para nanocables con diferentes diámetros y discutimos los resultados en vista a posibles aplicaciones termoeléctricas. Finalmente, el capítulo 8 está dedicado a recoger las principales conclusiones de este trabajo de investigación y a indicar posibles líneas futuras de trabajo surgidas a consecuencia de los resultados obtenidos. / The aim of this theoretical work is twofold. First, to contribute to a better understand- ing of phonon heat transport in bulk and nanostructured semiconductors, like thin-films or nanowires, in a wide range of temperatures, paying special attention to phonon-phonon col- lisions. Second, to improve the prediction capability of the thermal conductivity of the most common semiconductors. To achieve this, it becomes necessary the formulation of a new model allowing us to overcome the diculties associated to the existing models, with the aim to fulfill two desirable conditions: to provide a general expression for the thermal conduc- tivity, valid for several materials with di↵erent size-scales and geometries in a wide range of temperatures, and to have the smallest number of free adjustable parameters to assure the reliability of the model. The potentiality of such model would be to serve as a useful tool to design more ecient thermoelectric devices.
The fruit of our study is the Kinetic-collective model which is developed in the framework of the Boltzmann transport equation as a natural generalization of the Guyer-Krumhansl model. Since phonon interactions are the source of thermal resistance, they deserve a special discussion in any thermal conductivity study. Precisely, the keystone in our work is the treatment of phonon-phonon collisions regarding their di↵erent nature.
The prediction capability of the model need to be tested on several materials. In particular, we study five materials with thermoelectric interest. In first place, silicon, because it is an ideal test material due to the considerable amount of experimental data available in the literature, and because of its inherent scientific and technological importance. Secondly, we extend our study to other materials with the same lattice structure as silicon, that is the family of group IV element semiconductors (germanium, diamond, silicon and gray-tin), which also have been object of intense study, specially germanium, due to the recent and fast development of SiGe alloys and superlattices. Finally, we finish our study with a more complicated material regarding its lattice structure, bismuth telluride, which is known to be a very ecient thermoelectric material due to its high figure of merit.
The Thesis is arranged in eight Chapters. The lay out is as follows: Chapter 1 con- textualizes the topic of the work and briefly introduces the basic physics related to phonon transport. In Chapter 2 the fundamental quantity necessary for considering any thermal property, the phonon dispersion relations, have been obtained for the materials under study. For this purpose, two lattice dynamics models are used: the Bond-charge model for group-IV semiconductors (silicon, germanium, diamond and gray-tin), and the Rigid-ion model for bismuth telluride (Bi2Te3). Along with their corresponding phonon dispersion relations, phonon density of states and specific heat results are also presented. The phonon relaxation times that suit these materials are discussed in Chapter 3, where new expressions to account for the phonon-phonon collisions are also presented. In the first part of Chapter 4 the most represen- tative thermal conductivity models to date are introduced and discussed, in the second part, a new model to predict the thermal conductivity, the Kinetic-collective model, is presented and its conceptual di↵erences and advantages with respect to previous similar models are discussed. In Chapter 5 the Kinetic-collective model is applied to silicon bulk samples with di↵erent isotopic composition and several nanostructured samples with di↵erent geometries (thin-films and nanowires) obtaining predictions for their thermal conductivity in a wide in- terval of temperatures. Some novel aspects of phonon transport arising from these results are discussed. In Chapter 6 the Kinetic-collective model is applied to the other group-IV materials using theoretical expressions to predict their relaxation times and, eventually, their thermal conductivity. Results for several samples with di↵erent isotopic compositions in a wide range of temperature are presented and discussed. In Chapter 7 the Kinetic-collective model is applied to Bi2Te3, providing thermal conductivity predictions for nanowires with several diameter values, and the results are discussed in view of possible applications in ther- moelectricity. Finally, in Chapter 8 the main conclusions of this Thesis are summarized and possible future lines of work stemming from its several results are discussed.
|
109 |
La evolución de la cooperación y el origen de la sociedad humanaGomez Portillo, Ignacio 12 December 2013 (has links)
En la actualidad, la selección natural es considerada por la ciencia como el principal mecanismo evolutivo por el que la vida se transforma. Ésta fue formulada asumiendo poblaciones que saturan el medio que habitan. Bajo esta condición, aquellos que mejor explotan los recursos limitados disponibles evolucionan frente a los que no logran dicho cometido. De esta manera, la vida evoluciona hacia la tragedia de los comunes donde los individuos deben luchar entre sí por su vida, o morir desplazados por aquellos capacitados para hacerlo. Sin embargo, la cooperación es ubicua en la vida conocida, desde células hasta sociedades como la humana. Entonces, ¿cómo puede la cooperación evolucionar por selección natural? Este interrogante que está presente desde los tiempos de Darwin, es en la actualidad una de las preguntas centrales de la biología evolutiva. En este largo camino han sido formuladas diversas posibles respuestas que en conjunto permiten explicar gran parte de la cooperación que observamos. Sin embargo, estas propuestas desestiman la posibilidad de que la vida evolucione introduciendo elementos previamente inexistentes e impredecibles a partir de la información disponible. Cuando este elemento es considerado, la cooperación alcanzada por las formulaciones tradicionales evoluciona hacia la extinción. Por lo tanto, las teorías tradicionales sólo permiten explicar la evolución temporal de la cooperación. Tomando esto como motivación presentamos nuestra interpretación de la cooperación en la naturaleza, que construida a partir de conocimiento tradicional soluciona la histórica problemática. En particular, desde nuestra perspectiva el conjunto de individuos que coopera es la primera aproximación de un organismo vivo más complejo que sus partes. De esta manera, el problema de la cooperación es una evidencia del inevitable destino que todo ser vivo experimenta, la muerte. Por lo tanto, para que la cooperación evolucione más allá de este inevitable evento es necesario que el sistema se reproduzca y, por lo tanto, la reproducción del organismo es solución al problema de la cooperación. Posteriormente, buscamos comprender la evolución de la sociedad humana mediante elementos generales de nuestra especie. Para esto presentamos un modelo que permite considerar el crecimiento del sistema simultáneamente a la evolución del comportamiento de los individuos (estrategia) en poblaciones estructuradas. Este modelo es motivado por el hecho de que toda sociedad humana ha sido formada por un proceso de crecimiento en lugar de haberse desarrollado espontáneamente, tal y como se considera habitualmente en la literatura. Mediante esta modelización y considerando diferentes elementos generales, mostramos condiciones cercanas a las mínimas teóricas, a partir de las cuales evolucionan sistemas altamente cooperativos de cualquier tamaño y topología. Este resultado es robusto a toda forma de actualización de estrategia e interacción considerada. Sin embargo, el sistema cooperativo encuentra dificultades para superar cambios espontáneos de estrategia. Teniendo esto en cuenta presentamos una regla que llamamos “actualización democrática ponderada” donde el comportamiento de los individuos es socialmente influenciado por el propio de aquellos con los que interactúan, de manera que la influencia social de los individuos aumenta con su éxito. Mediante esta regla mostramos que un sistema cooperativo estructurado supera los cambios espontáneos de estrategia bajo condiciones cercanas a las mínimas posibles, incluso cuando estos cambios son frecuentes. Dada la robustez y generalidad de nuestra formulación, proponemos nuestra teoría como explicación del origen evolutivo de la sociedad humana así como también de estadios posteriores. Evidentemente, nuestra sociedad presenta un grado de complejidad profundamente superior a la que nuestra modelización ha alcanzado. Sin embargo, considerando la gran simplicidad de nuestra modelización, la consideramos como un primer paso hacia la construcción de un modelo físico-biológico satisfactorio de la sociedad humana contemporánea. / Nowadays, natural selection is considered by science as the main evolutionary mechanism by which life changes in time. This mechanism was formulated by assuming that population’s size is bounded by the limited resources of the environment. Under this condition, only evolve those individuals that exploit the limited resources in the best way. Hence, life evolves to the tragedy of the commons where individuals must fight each other, or die displaced by those prepared to do it. However, the cooperation is ubiquitous in nature, from cells to societies such as the human one. Then, how does cooperation evolve by natural selection? This question is present from Darwin’s theory, and it is currently one of the central questions of evolutionary biology. In this long tradition several possible answers have been proposed and are able to explain a great part of the cooperation observed in nature. However, these theories dismiss the possibility that life evolves introducing new and unpredictable elements from the available information. When this element is considered, the cooperation reached by traditional theories goes to extinction. Therefore, the traditional formulations just can explain the temporal evolution of cooperation. Taking this as a motivation, we introduce a new interpretation for cooperation in nature, which built it from traditional knowledge solves the historical cooperation problem. In particular, from our perspective a highly cooperative set of individuals is the first approximation of a living organism more complex than its parts. In this way, the cooperation problem is evidence of the inevitable fate that all life experiences, i.e. the death. Therefore, in order for cooperation to evolve, beyond this inevitably event, is required the reproduction of the system and, in consequence the reproduction becomes a solution to the problem of cooperation. Subsequently, we try to understand the evolution of the human society by considering general elements of our specie. To this end, we present a model that allows considering the growth of the system simultaneously that the behavior of individuals (strategy) evolves on structured populations. The model is motivated in the fact that human societies have emerged as a result of a growth process rather than spontaneous development, as is usually considered in literature. From this model and considering other general elements, we show conditions close to the theoretical minimum, from which highly cooperative systems of any size and topology may evolve. This result is robust under any strategy update and interaction considered. However, the cooperative system finds difficulties to overcome spontaneous changes of strategy. Taking this into account we present a new rule that we call “democratic weighted update” where the behavior of the individuals is socially influenced by those which interact with, in such a way that the social influence of individuals increase with their success. By considering this rule we show that a structured cooperative system overcomes the emergence of spontaneous changes of strategy, even when these changes are frequent. Given the robustness and generality of our formulation, we propose our theory as a possible explanation of the evolutionary origin of human society as well as for later stages. Obviously, our society presents much higher complexity than the one reached by our model. However, since our model is very simple, we consider it as a good first step towards building a successful biophysical model of the actual human society.
|
110 |
Entanglement distribution in quantum complex networksCuquet Palau, Martí 05 November 2012 (has links)
Aquesta tesi tracta l’estudi de xarxes quàntiques amb una estructura complexa, les implicacions que aquesta estructura té en la distribució d’entrellaçament i com el seu funcionament pot ser millorat mitjançant operacions en el règim quàntic. Primer considerem xarxes complexes d’estats bipartits, tant purs com mescla, i estudiem la distribució d’entrellaçament a llargues distàncies. Després passem a analitzar xarxes de canals sorollosos i estudiem la creació i distribució de grans estats multipartits.
El treball contingut en aquesta tesi està motivat principalment per la idea que la interacció entre la informació quàntica i les xarxes complexes pot donar lloc a una nova comprensió i caracterització dels sistemes naturals. Les xarxes complexes tenen una importància particular en les infraestructures de comunicació, ja que la majoria de xarxes de telecomunicació tenen una estructura complexa. En el cas de xarxes quàntiques, que són el marc necessari per al processament distribuït d’informació i comunicació quàntica, és ben possible que en el futur adquireixin una topologia complexa semblant a la de les xarxes existents, o que fins i tot es desenvolupin mètodes per a utilitzar les infraestructures actuals en el règim quàntic.
Una tasca central en les xarxes quàntiques és dissenyar estratègies per distribuir entrellaçament entre els seus nodes. En la primera part d’aquesta tesi, considerem la distribució d’entrellaçament bipartit com un procés de percolació d’entrellaçament en una xarxa complexa. Des d’aquest enfocament, s’estableix entrellaçament perfecte de manera probabilística entre dos nodes arbitraris. Veiem que, per a xarxes grans, la probabilitat d’aconseguir-ho és una constant estrictament major que zero (i independent de la mida de la xarxa) si la quantitat inicial d’entrellaçament està per sobre d’un cert valor crític. La mecànica quàntica ofereix aquí la possibilitat de canviar l’estructura de la xarxa sense necessitat d’establir nous canals “físics”. Mitjançant una transformació local adequada de la xarxa, es pot disminuir l’entrellaçament crític i augmentar la probabilitat. Apliquem aquesta transformació a models de xarxes complexes amb una distribució de graus arbitrària.
En el cas de xarxes sorolloses d’estats mescla, veiem que per algunes classes d’estat es pot utilitzar el mateix enfocament de percolació d’entrellaçament. Per a estats mescla generals considerem una percolació de llargada de camí limitada per la quantitat de soroll de les connexions. Veiem com les xarxes complexes ofereixen encara un gran avantatge en la probabilitat de connectar dos nodes.
En la segona part, passem a l’escenari multipartit. Estudiem la creació i distribució d’estats graf amb una estructura que imita la de la xarxa de comuicació subjacent. En aquest cas, utilitzem una xarxa complexa arbitrària amb canals sorollosos, i considerem que les operacions i mesures són també sorolloses. Proposem un mètode eficient per a distribuir i purificar petits subgrafs, que després es fusionen per a reproduir l’estat desitjat. Comparem aquest enfocament amb dos protocols bipartits basats en un node central i coneixement complet de l’estructura de la xarxa. Mostrem que la fidelitat dels estats graf generats es pot escriure com la funció de partició d’un sistema desordenat de spins clàssics (un vidre de spins), i la seva taxa de decaïment és l’anàleg de l’energia lliure. Utilitzant els tres protocols en una xarxa unidimensional i en xarxes complexes veiem que són tots comparables, i que en alguns casos el protocol de subgrafs proposat, que necessita només informació local de la xarxa, té inclús un comportament millor. / This thesis deals with the study of quantum networks with a complex structure, the implications this structure has in the distribution of entanglement and how their functioning can be enhanced by operating in the quantum regime. We first consider a complex network of bipartite states, both pure and mixed, and study the distribution of long-distance entanglement. Then, we move to a network with noisy channels and study the creation and distribution of large, multipartite states.
The work contained in this thesis is primarily motivated by the idea that the interplay between quantum information and complex networks may give rise to a new understanding and characterization of natural systems. Complex networks are of particular importance in communication infrastructures, as most present telecommunication networks have a complex structure. In the case of quantum networks, which are the necessary framework for distributed quantum processing and for quantum communication, it is very plausible that in the future they acquire a complex topology resembling that of existing networks, or even that methods will be developed to use current infrastructures in the quantum regime.
A central task in quantum networks is to devise strategies to distribute entanglement among its nodes. In the first part of this thesis, we consider the distribution of bipartite entanglement as an entanglement percolation process in a complex network. Within this approach, perfect entanglement is established probabilistically between two arbitrary nodes. We see that for large networks, the probability of doing so is a constant strictly greater than zero (and independent of the size of the network) if the initial amount of entanglement is above a certain critical value. Quantum mechanics offer here the possibility to change the structure of the network without need to establish new, "physical" channels. By a proper local transformation of the network, the critical entanglement can be decreased and the probability increased. We apply this transformation to complex network models with arbitrary degree distribution.
In the case of a noisy network of mixed states, we see that for some classes of states, the same approach of entanglement percolation can be used. For general mixed states, we consider a limited-path-length entanglement percolation constrained by the amount of noise in the connections. We see how complex networks still offer a great advantage in the probability of connecting two nodes.
In the second part, we move to the multipartite scenario. We study the creation and distribution of graph states with a structure that mimic the underlying communication network. In this case, we use an arbitrary complex network of noisy channels, and consider that operations and measurements are also noisy. We propose an efficient scheme to distribute and purify small subgraphs, which are then merged to reproduce the desired state. We compare this approach with two bipartite protocols that rely on a central station and full knowledge of the network structure. We show that the fidelity of the generated graphs can be written as the partition function of a classical disordered spin system (a spin glass), and its decay rate is the analog of the free energy. Applying the three protocols to a one-dimensional network and to complex networks, we see that they are all comparable, and in some cases the proposed subgraph protocol, which needs only local information of the network, performs even better.
|
Page generated in 0.0474 seconds