Stuttgart, Univ., Diplomarb., 2003.

Stuttgart, Univ., Diplomarb., 2003.

Stuttgart, Univ., Studienarb., 2000.

Stuttgart, Univ., Diplomarb., 2003.

This Thesis investigates the interplay of a central degree of freedom with an environment. Thereby, the environment is prepared in a localized phase of matter. The long-term aim of this setup is to store quantum information on the central degree of freedom while exploiting the advantages of localized systems. These many-body localized systems fail to equilibrate under the description of thermodynamics, mostly due to disorder. Doing so, they form the most prominent phase of matter that violates the eigenstate thermalization hypothesis. Thus, many-body localized systems preserve information about an initial state until infinite times without the necessity to isolate the system. This unique feature clearly suggests to store quantum information within localized environments, whenever isolation is impracticable. After an introduction to the relevant concepts, this Thesis examines to which extent a localized phase of matter may exist at all if a central degree of freedom dismantles the notion of locality in the first place. To this end, a central spin is coupled to the disordered Heisenberg spin chain, which shows many-body localization. Furthermore, a noninteracting analog describing free fermions is discussed. Therein, an impurity is coupled to an Anderson localized environment. It is found that in both cases, the presence of the central degree of freedom manifests in many properties of the localized environment. However, for a sufficiently weak coupling, quantum chaos, and thus, thermalization is absent. In fact, it is shown that the critical disorder, at which the metal-insulator transition of its environment occurs in the absence of the central degree of freedom, is modified by the coupling strength of the central degree of freedom. To demonstrate this, a phase diagram is derived. Within the localized phase, logarithmic growth of entanglement entropy, a typical signature of many-body localized systems, is increased by the coupling to the central spin. This property is traced back to resonantly coupling spins within the localized Heisenberg chain and analytically derived in the absence of interactions. Thus, the studied model of free fermions is the first model without interactions that mimics the logarithmic spreading of entanglement entropy known from many-body localized systems. Eventually, it is demonstrated that observables regarding the central spin significantly break the eigenstate thermalization hypothesis within the localized phase. Therefore, it is demonstrated how a central spin can be employed as a detector of many-body localization. / Im Fokus dieser Dissertation steht die gegenseitige Wechselwirkung eines zentralen Freiheitsgrades und seiner Umgebung, die sich in einer lokalisierten Phase befindet. Das langfristige Ziel einer solchen Konfiguration ist die Speicherung von Quanteninformation auf einem solchen zentralen Freiheitsgrad, während gleichzeitig die Vorteile der lokalisierten Phase ausgenutzt werden. Insbesondere nähern sich Systeme mit Vielteilchenlokalisierung keinem thermodynamischen Gleichgewichtszustand und verletzen die Eigenzustandsthermalisierungshypothese. Als Konsequenz bleibt Information über jeden beliebigen Anfangszustand während einer Zeitentwicklungauch bis zu unendlichen Zeiten erhalten, ohne dass das System räumlich isoliert werden muss. Diese einzigartige Eigenschaft drängt lokalisierte Umgebungen als Speichermedium für Quanteninformation geradezu auf. Nach einer Einführung zu den relevanten Begriffen und Theorien verfolgt diese Dissertation daher die Frage, ob eine lokalisierte Phase in der Gegenwart eines zentralen Freiheitsgrades überhaupt existieren kann, obgleich der zentrale Freiheitsgrad einen wohldefinierten Begriff von Lokalitäat verbietet. Mit diesem Ziel vor Augen wird ein zentraler Spin an die ungeordnete Heisenberg-Spinkette, die Vielteilchenlokalisierung zeigt, gekoppelt. Außerdem wird ein nichtwechselwirkendes Analogon, bestehend aus freien Fermionen, untersucht, wobei eine zentrale Störstelle an eine Anderson-lokalisierte Umgebung gekoppelt wird. In beiden Fällen zeigt sich, dass sich die Gegenwart des zentralen Freiheitsgrades in vielen Eigenschaften der lokalisierten Umgebung widerspiegelt. Trotzdem ist Quantenchaos und demzufolge jegliche Thermalisierung für hinreichend kleine Kopplungsstärken an den zentralen Freiheitsgrad abwesend. Vielmehr hängt die kritische Unordnung, bei welcher der Übergang der Umgebung zwischen einer metallischen und lokalisierten Phase stattfindet, von dieser Kopplungsstärke ab. Hierzu wird ein Phasendiagramm abgeleitet. Innerhalb der lokalisierten Phase zeigt sich, dass das für vielteilchenlokalisierte typische logarithmische Wachstum der Verschrönkungsentropie durch den zentralen Spin verstärkt wird. Dieses Phänomen lässt sich aus der resonanten Kopplung von Spins der Umgebung durch den zentralen Spin erklären und wird im nichtwechselwirkenden Modell analytisch demonstriert. Ferner wird gezeigt, dass quantenmechanische Observablen des zentralen Spins ebenfalls die Eigenzustandsthermalisierungshypothese in der vielteilchenlokalisierten Phase brechen. Demzufolge kann der zentrale Spin als Indikator für Vielteilchenlokalisierung zunutze gemacht werden.

Die Basis der vorliegenden retrospektiven Auswertung bilden die Krankenunterlagen von 90 Patienten, die im Zeitraum von 1995 bis 2004 in der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universität Würzburg wegen einer follikulären Zyste im Ober- oder Unterkiefer ambulant und stationär behandelt wurden. In dieser statistischen Auswertung wird deutlich, dass follikuläre Zysten vermehrt bei dem männlichen Patientengut aufgetreten sind. Das Haupterkrankungsalter lag zwischen dem 31. und 50. Lebensjahr. Die retrospektive Analyse der Krankenakten zeigt, dass die follikulären Zysten vermehrt im Unterkiefer lokalisiert waren. Die unteren Weisheitszähne waren am häufigsten betroffen. Bezüglich des Therapiekonzeptes war die Zystektomie mit Zahnentfernung das am häufigsten durchgeführte. Für die Zystenhohlraumauffüllung werden diverse Möglichkeiten angesprochen. Intraoperative Komplikationen kamen nur selten vor. Bei den postoperativen Komplikationen wurden die entzündlichen postoperativen Komplikationen eigens betrachtet. Als relevante entzündliche Komplikation wurde die Infektion dokumentiert. Zusätzlich werden die Ergebnisse mit zahlreichen Publikationen verglichen. / Between 1995 and 2004, 90 patients with a follicular cyst have been treated inpatient or ambulatory at the clinic and poliklinic for oral and maxillofacial surgery of the University of Würzburg. In the course of this study the number of patients, the gender, the localisation of the follicular cyst as well as the therapy, the method of surgery and the postoperative healing process have been recorded. The results have been shown a high score at the male patients. Most cysts have been found in the lower jaw regio 38. The most used method of surgery was the cystectomy.

Die Dissertation behandelt die Problemstellung der globalen Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter, welche folgendermaßen beschrieben werden kann: Ein mobiler Roboter, eingesetzt in einem Gebäude, kann unter Umständen das Wissen über seinen Standort verlieren. Man geht nun davon aus, dass dem Roboter eine Gebäudekarte als Modell zur Verfügung steht. Mit Hilfe eines Laser-Entfernungsmessers kann das mobile Gerät neue Informationen aufnehmen und damit bei korrekter Zuordnung zur Modellkarte geeignete hypothetische Standorte ermitteln. In der Regel werden diese Positionen aber mehrdeutig sein. Indem sich der Roboter intelligent in seiner Einsatzumgebung bewegt, kann er die ursprünglichen Sensordaten verifizieren und ermittelt im besten Fall seine tatsächliche Position.Für diese Problemstellung wird ein neuer Lösungsansatz in Theorie und Praxis präsentiert, welcher die jeweils aktuelle lokale Karte und damit alle Sensordaten mittels feature-basierter Matchingverfahren auf das Modell der Umgebung abbildet. Ein Explorationsalgorithmus bewegt den Roboter während der Bewegungsphase autonom zu Sensorpunkten, welche neue Informationen bereitstellen. Während der Bewegungsphase werden dabei die bisherigen hypothetischen Positionen bestärkt oder geschwächt, sodaß nach kurzer Zeit eine dominante Position, die tatsächliche Roboterposition,übrigbleibt. / This thesis is dealing with the global self-localisation problem, which is known to be one of the hardest problems among autonomous mobile systems. The problem can be described as follows: A mobile robot agent has a map of the environment but does not know its position. It is equipped with ultransonic sensors and a laser range finder as main sensor. The goal of the robot agent is to recognize its true position within the environment.The level of complexity of this task increases with the size and also with the level of symmetry of the indoor environment. To cope with the problem a new approach will be presented in this thesis using state of the art map building and exploration algorithms as well as feature based localisation methods. Decomposition of the global map into a number of submaps, informative feature selection and multiple submap localisation queries ensure the road of success. The capability of the approach to global self-localising the robot is pointed out by several practical studies.

Nowadays, robotics plays an important role in increasing fields of application. There exist many environments or situations where mobile robots instead of human beings are used, since the tasks are too hazardous, uncomfortable, repetitive, or costly for humans to perform. The autonomy and the mobility of the robot are often essential for a good solution of these problems. Thus, such a robot should at least be able to answer the question "Where am I?". This thesis investigates the problem of self-localizing a robot in an indoor environment using range measurements. That is, a robot equipped with a range sensor wakes up inside a building and has to determine its position using only its sensor data and a map of its environment. We examine this problem from an idealizing point of view (reducing it into a pure geometric one) and further investigate a method of Guibas, Motwani, and Raghavan from the field of computational geometry to solving it. Here, so-called visibility skeletons, which can be seen as coarsened representations of visibility polygons, play a decisive role. In the major part of this thesis we analyze the structures and the occurring complexities in the framework of this scheme. It turns out that the main source of complication are so-called overlapping embeddings of skeletons into the map polygon, for which we derive some restrictive visibility constraints. Based on these results we are able to improve one of the occurring complexity bounds in the sense that we can formulate it with respect to the number of reflex vertices instead of the total number of map vertices. This also affects the worst-case bound on the preprocessing complexity of the method. The second part of this thesis compares the previous idealizing assumptions with the properties of real-world environments and discusses the occurring problems. In order to circumvent these problems, we use the concept of distance functions, which model the resemblance between the sensor data and the map, and appropriately adapt the above method to the needs of realistic scenarios. In particular, we introduce a distance function, namely the polar coordinate metric, which seems to be well suited to the localization problem. Finally, we present the RoLoPro software where most of the discussed algorithms are implemented (including the polar coordinate metric). / Heutzutage spielen autonome Roboter bei einer wachsenden Zahl von Anwendungsgebieten eine entscheidende Rolle. Sie werden überall dort anstelle von menschlichen Arbeitskräften eingesetzt, wo die jeweiligen Aufgaben für Menschen zu gefährlich, unangenehm, monoton oder schlicht zu teuer sind. Dabei sind die Autonomie und Mobilität des Roboters sehr oft grundlegend für eine gute Problemlösung. Ein solcher Roboter sollte also zumindest die Frage "Wo bin ich?" zufriedenstellend beantworten können. Diese Arbeit behandelt das Problem der Selbstlokalisation in einer Gebäudeumgebung mit Hilfe von Entfernungsmesswerten. Das heißt, ein Roboter - ausgestattet mit einem Entfernungssensor - wacht innerhalb eines Gebäudes auf und muss mit Hilfe seiner Sensordaten und einer Karte seiner Einsatzumgebung seine Position bestimmen. Wir betrachten eine idealisierte Variante dieser Aufgabe, die ein rein geometrisches Problem zum Inhalt hat, und untersuchen ein Verfahren von Guibas, Motwani und Raghavan aus dem Gebiet der Algorithmischen Geometrie, welches dieses löst. Hierbei spielen sogenannte Sichtbarkeitsskelette (vergröberte Darstellungen von Sichtbarkeitspolygonen) eine entscheidende Rolle. Im Hauptteil der Arbeit analysieren wir die Strukturen und die auftretenden Komplexitäten im Rahmen dieses Verfahrens. Es stellt sich heraus, dass die Hauptschwierigkeiten sogenannte überlappende Einbettungen von Skeletten in das Kartenpolygon zur Ursache haben, für die wir einige einschränkende Sichtbarkeitsbedingungen zeigen. Gestützt auf diese Resultate können wir die auftretenden Komplexitätsschranken dahingehend verbessern, dass wir diese nicht nur in Abhängigkeit der Gesamtzahl aller Kartenecken angeben, sondern in Abhängigkeit der Zahl der konkaven Ecken. Dies hat ebenfalls Auswirkungen auf die Worst-Case-Schranken für die Preprocessing-Komplexität des Verfahrens. Der zweite Teil der Arbeit vergleicht die anfangs gemachten idealisierenden Annahmen mit den Gegebenheiten realer Umgebungen und adressiert die auftretenden Probleme. Um diese zu umgehen verwenden wir das Konzept sogenannter Distanzfunktionen, welche die Ähnlichkeit zwischen den Sensordaten und der Karte modellieren, und passen das Verfahren auf geeignete Weise an die Bedürfnisse realistischer Szenarien an. Insbesondere führen wir eine Distanzfunktion ein - die Polarkoordinatenmetrik - welche sich für das Lokalisationsproblem besonders gut zu eignen scheint. Schlussendlich stellen wir die Software RoLoPro vor, in der die meisten der diskutierten Algorithmen (einschließlich der Polarkoordinatenmetrik) implementiert sind.

Eine der zentralen Aufgaben des menschlichen auditiven Systems besteht darin, aus einer Vielzahl von Umgebungsgeräuschen Ort und Informationsgehalt einer Schallquelle herauszufiltern. Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Kommunikation in geräuschvoller Umgebung. Einschränkungen des Hörvermögens führen in unterschiedlichem Ausmaß zu einer Beeinträchtigung dieser Hörleistung. Im klinischen Alltag berichten jedoch auch ältere Menschen ohne offensichtliche Hörstörung über Schwierigkeiten, Sprache in Gegenwart von mehreren Sprechern oder Nebengeräuschen zu verstehen. Die vorliegende Arbeit untersucht altersabhängige Veränderungen von Sprachverständnis und Lokalisationsfähigkeit an normalhörenden Erwachsenen. Zur Bestimmung der Sprachverständnisschwelle wurde der Oldenburger Satztest (OLSA) in Ruhe und in Gegenwart je eines energetischen (CCITT-Rauschen) sowie eines informationellen Maskers (Sprachgemisch aus zwei männlichen Störsprechern) verwendet. Dabei wurde die Sprache jeweils von vorn angeboten, während der Einfallswinkel der Störschallquelle in vier Schritten zwischen 0° und 90° variiert wurde. Die Lokalisationsfähigkeit in der vorderen Horizontalebene (-90° bis +90° ) wurde für drei verschiedene Signale (CCITT-Rauschen, Sprache und Clicktrain) untersucht, wobei der Pegel zwischen 55 dB und 65 dB zufallsvariiert wurde. Der D2-Konzentrationsleistungstest wurde zur Erfassung möglicher Ermüdungseffekte vor und nach dem Sprachverständnistest eingesetzt. Zur Untersuchung von Alterseffekten wurden je vier männliche und weibliche Probanden in sechs Dekaden (3. bis 8.) mit altersentsprechender Normalhörigkeit eingeschlossen. Zusätzlich wurde der zulässige Hochtonhörverlust begrenzt, um reine Alterseffekte von einer Presbyakusis trennen zu können. In der statistischen Auswertung des Sprachverständnisses in Ruhe hatten die beiden Einflussfaktoren Probandenalter und Hörschwelle den größten Einfluss und erklärten zusammen 84% der Gesamtvarianz. Bei der winkelabhängigen Untersuchung der beiden Maskertypen Störsprache (informationell) und CCITTRauschen (energetisch) zeigte sich, dass für alle Altersgruppen die Sprachverständnisschwelle für nicht räumlich getrennte Schallquellen am höchsten war. In dieser Kondition war der informationelle Maskierungseffekt ausgeprägter als der energetische. Die räumliche Trennung von Nutz- und Störsignal führte für beide Maskertypen zu einer Verbesserung der Sprachverständnisschwelle, wobei hier der energetische Maskierungseffekt überwog. Der größte Gewinn trat schon beim kleinsten Trennungswinkel (22,5° ) auf. Während die Absolutlage der Sprachverständnisschwelle altersabhängig signifikant variierte, profitierten alle Probanden in gleichem Maße von der räumlichen Trennung. Im Lokalisationsexperiment war der mittlere absolute Fehler unabhängig vom Stimulustyp relativ gering. Relevanter Einflussfaktor war nur die Lautsprecherposition, mit einer Varianzaufklärung von 12 %. Für alle Altersgruppen waren Stimuli aus den äußeren beiden Lautsprechern am schwierigsten zu lokalisieren. Während Probanden bis 59 Jahre Stimuli aus den zentralen Lautsprechern nahezu perfekt zuordnen konnten, stieg die Fehlerhäufigkeit in den beiden ältesten Probandengruppen an. Es konnte nur eine zwar signifikante, aber praktisch nicht bedeutsame (r < 0,5) Korrelation zwischen Lokalisationsfähigkeit von Sprache und Sprachverständnis in Gegenwart von Störsprache festgestellt werden. Für das Störsignal CCITT-Rauschen war die Korrelation noch geringer. Die exakte räumliche Wahrnehmung einer Schallquelle spielt demnach für das Sprachverständnis im Störgeräusch eine Rolle, kann die von älteren Patienten beschriebenen Defizite jedoch nicht vollständig erklären. / One of the primary challenges of the human auditory system is the filtering of location and informational content of a sound source out of ambient noise. This ability is of vital importance for communicating in loud surroundings. Hearing impairments result in limitations of this hearing performance to different degrees. Nevertheless, during clinical routine elderly people without peripheral hearing impairment report difficulties understanding speech in the prescence of multiple talker or ambient noises. In this study the age-related changes of speech reception and localization ability were investigated in normal-hearing adults. To determine the speech reception threshold, the Oldenburg sentence test (OLSA) was used in the presence of an energetic masker (CCITT noise) and an informational masker (male two-talker-babble). The speech signal was presented from the central speaker while the angle of the competing noise varied in four steps between 0° to 90°. Frontal horizontal plane sound localization (-90° to +90°) was assessed for three different stimuli (CCITT noise, speech and clicktrain). The level was randomised between 55dB and 65dB. To gather possible symptoms of fatigue, the D2 test of attention was employed before and after the speech reception test. To investigate effects of aging, the test groups consisted of four men and four women, in six decades (3d to 8th) with age-appropriate normal hearing. In addition, the tolerated high frequency hearing loss was limited to allow for separation of pure aging effects from presbycusis. In the statistical evaluation of speech reception in quiet, the factors subject age and hearing threshold had the greatest influence and together explained 84% of the variance. Angle-dependent analysis of both masker types showed that for all age groups the speech-reception threshold was highest for non-separated sound sources. In this condition the effect of the informational speech masker was stronger than that of the energetic CCITT noise masker. Spatial release from masking however, led for both masker types to an increase in speech perception. In spatially separated sound sources, the effect of the energetic masker was stronger. The greatest benefit resulted at the smallest separation angle (22,5°). While the difference in speech reception threshold was statistically significant between the age groups, the benefit from spatially separating the sound sources was identical for all age groups. The mean absolute error in the localization experiment was comparatively low, independent of the stimulus type. The only relevant influencing factor was speaker position with a 12% variance explanation. Every age group had the most difficulties in localizing stimuli from the two outermost speakers. While candidates up to 59 years could localize stimuli from the central speakers nearly perfectly, the fault rate increased in both of the oldest age groups. A statistically significant but practically irrelevant (r < 0.5) correlation between localization of speech and speech reception in the presence of competing speech could be detected. For the competing CCITT noise the correlation was even smaller. While the exact spatial perception of a sound source has an influence on speech perception in noise, it doesn't completely explain the shortfalls described by older patients.

Univ., Diss.--Bochum, 1991.