Digital quantum simulations of spin models with superconducting circuits

143 p.A lo largo de la historia, el ser humano, consciente de su incapacidad natural para realizar diversas tareas, ha utilizado herramientas que le han permitido afrontar de forma cada vez más satisfactoria los problemas de cada época. Estos avances que van desde las lanzas prehistóricas para cazar mamuts hasta los aviones actuales para llegar al otro lado del mundo en cuestión de horas, han provisto a los humanos de habilidades que la naturaleza no nos ha brindado. No es distinto el caso particular de la computación. Desde niños hemos aprendido a hacer uso de elementos más allá de nuestra mente analítica para la realización de todo tipo de cálculos. Contar con los dedos, utilizar un ábaco o un papel y un lápiz, y en última instancia hacer uso de un ordenador son solo algunos ejemplos de ello. Hay quien podría pensar erróneamente que los superordenadores con tecnología puntera son capaces de resolver los problemas computacionales más complejos pero la verdad es que posiblemente nunca lleguen a conseguirlo

Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

Der Austausch von Informationen über globale Kommunikationsnetze ist für viele alltägliche Lebensbereiche selbstverständlich geworden. Die Informationen werden dabei mit immer weiter wachsender Geschwindigkeit und in zunehmendem Umfang geteilt. Durch den enormen Anstieg des Datenverkehrs kommt verstärkt optische Nachrichtentechnik zum Einsatz. Sie bietet gegenüber elektronischen Übertragungsverfahren entscheidende Vorteile bezüglich der Übertragungsdistanz und -kapazität.Wurde optische Übertragung zunächst nur für die Kommunikation über weite Strecken eingesetzt, machen sich die Nachteile elektronischer Verfahren mit dem stark anwachsenden Datenverkehr auch zunehmend über kürzere Strecken bemerkbar, sodass auch dort vermehrt optische Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. Insgesamt nimmt die Anzahl der photonischen Komponenten, die in Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden, dadurch rapide zu. Dies führt dazu, dass die einzelnen Bauteile kostengünstiger, energieeffizienter sowie kompakter werden müssen. Ähnlich zur Entwicklung in der Mikroelektronik, wo immer stärkere Miniaturisierung zu einer dramatischen Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch geführt hat, soll dies in der Photonik durch die Anwendung von integrierten photonischen Schaltkreisen erreicht werden. Integrierte photonische Schaltkreise zeichnen sich durch hohe Funktionalität bei geringem Platzbedarf aus und ermöglichen eine kostengünstige Massenfertigung. Sie sind daher von erheblichem wissenschaftlichen, technischen und kommerziellen Interesse. Insbesondere die Integration auf Siliziumsubstraten verspricht dabei hohe Integrationsdichten, kombiniert mit der Möglichkeit zur Ko-Integration photonischer und elektronischer Schaltkreise. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass Silizium seit Jahrzehnten das dominierende Material in der Halbleiterindustrie und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste ist. Vorteilhaft ist also neben der guten Verfügbarkeit des Materials, insbesondere die Existenz von etablierten und zuverlässigen Prozessen aus der Mikroelektronik, speziell der CMOS-Fertigung, zur lithographischen Strukturierung. Zudem bietet Silizium viele für die integrierte Photonik günstige physikalische Eigenschaften. Beispielsweise die Transparenz im für die Datenübertragung technisch relevanten Spektralbereiche im Nahinfraroten zwischen 1260 nm und 1625 nm und einen hohen Brechungsindexkontrast zu Siliziumdioxid. Die unter dem Begriff Siliziumphotonik zusammengefasste Technologie ist daher eine vielversprechende Plattform für integrierte photonische Schaltkreise. Eines der wichtigsten Bauteile in der optischen Nachrichtentechnik ist der elektro-optische (EO) Modulator. An der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik ist er das zentrale Element in optischen Sendern. Neben geringen Herstellungskosten, geringem Platzbedarf und guter Energieeffizienz ist eine hohe Modulationsgeschwindigkeit eine essentielle Fähigkeit des Modulators, da diese hohe Bandbreiten in der Datenübertragung ermöglicht. Da Silizium aufgrund der punktsymmetrischen Kristallstruktur keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, ist in reinem Silizium kein linearer EO Effekt (Pockels-Effekt) verfügbar. Elektro-optische Modulatoren aus Silizium basieren daher darauf, dass die Konzentration freier Ladungsträger in einem Siliziumwellenleiter moduliert wird, was beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang realisiert werden kann. Die Änderung der Konzentration freier Ladungsträger führt dabei zu einer Variation des optischen Brechungsindex (Plasmadispersions-Effekt). Dieser Effekt ist jedoch nicht effizient,wodurch die Energieeffizienz reiner Siliziummodulatoren insgesamt limitiert ist. Durch die heterogene Integration von Silizium mit weiteren Materialien lässt sich die Siliziumphotonik-Plattform erweitern. Organische EO Materialien lassen sich durch molekulares Design gezielt auf einen starken linearen EO Effekt hin optimieren. Durch die Kombination von Silizium-Nanowellenleitern und organischen EO Materialien lassen sich Hybridbauteile realisieren, welche wesentlich energieeffizienter als reine Siliziummodulatoren sind. In der englischsprachigen Fachliteratur werden diese Bauteile auch als silicon-organic hybrid (SOH) bezeichnet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit SOH-Modulatoren und deren praktischer Anwendung in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation. In vorausgehenden Arbeiten wurden die fundamentalen Prinzipien von SOHModulatoren untersucht und deren grundlegende Einsetzbarkeit für die optische Datenübertragung gezeigt. Die vorliegende Arbeit baut darauf auf und adressiert gezielt Aspekte, die für einen praktischen Einsatz von SOH Bauteilen in optischen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind: Um ein zielgerichtetes Design der Bauteile zu ermöglichen und grundlegende Zielkonflikte im Design zu erkennen, wird ein Modell für das dynamische EO Verhalten der Modulatoren entwickelt und experimentell verifiziert. Für die breitbandige Aufbau- und Verbindungstechnik werden Konzepte zur elektrischen Anbindung schneller SOH-Modulatoren entwickelt und demonstriert. Verschiedene Modulationsformate werden bei Bruttodatenraten von bis zu 160 Gbit/s erfolgreich getestet und demonstrieren die Eignung von SOHModulatoren für praktische Anwendungsszenarien. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Siliziumphotonik und deren Bedeutung für die optische Datenübertragung. Kapitel 2 beschreibt die theoretischen und technologischen Grundlagen elektrooptischer Bauteile auf Basis der Siliziumphotonik. Dies umfasst einen Überblick über den zugehörigen Stand der Wissenschaft und Technik sowie die für die nachfolgenden Kapitel relevanten Konzepte aus der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik. Kapitel 3 führt ein quantitatives Modell zur Beschreibung der dynamischen elektrischen und EO Eigenschaften von SOH-Modulatoren ein. Das Modell wird experimentell verifiziert und dient als Grundlage für verbesserte Bauteildesigns zukünftiger SOH-Modulatoren, mit denen sich Bandbreiten von mehr als 100 GHz und $\pi$-Spannungen von unter 1 V erreichen lassen. Kapitel 4 demonstriert die Eignung von SOH-Modulatoren für technisch relevante Intensitätsmodulation/Direktempfang-Verfahren (engl. intensity modulation/direct detection, IM/DD), die insbesondere für hochgradig skalierbare Übertragungssysteme mit kleinen und mittleren Reichweiten (board-to-board, rack-to-rack) interessant sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene IM/DD-Modulationsformate experimentell getestet und dabei Bruttodatenraten von bis zu 120 Gbit/s demonstriert. Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik für SOH-Modulatoren. Dies erfordert Platinen mit guten Hochfrequenzeigenschaften und kleinen Strukturgrößen, um eine hohe Integrationsdichte zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnisch breitbandigen Keramikplatinen mit hoher räumlicher Auflösung wird vorgestellt. Mit Hilfe dieser Keramikplatinen wird ein mit Bonddrähten elektrisch angebundener SOH-Modulator vorgestellt und damit eine Bruttodatenrate von 160 Gbit/s demonstriert. Kapitel 6 fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftig notwendige Schritte, um die Anwendungsreife von SOH-Modulatoren zu erreichen. Zudem werden potentielle weitere Anwendungsfelder für SOH-Modulatoren diskutiert

Exposing a waveform interface to the wireless channel for scalable video broadcast

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2011.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 157-167).Video broadcast and mobile video challenge the conventional wireless design. In broadcast and mobile scenarios the bit-rate supported by the channel differs across receivers and varies quickly over time. The conventional design however forces the source to pick a single bit-rate and degrades sharply when the channel cannot support it. This thesis presents SoftCast, a clean-slate design for wireless video where the source transmits one video stream that each receiver decodes to a video quality commensurate with its specific instantaneous channel quality. To do so, SoftCast ensures the samples of the digital video signal transmitted on the channel are linearly related to the pixels' luminance. Thus, when channel noise perturbs the transmitted signal samples, the perturbation naturally translates into approximation in the original video pixels. Hence, a receiver with a good channel (low noise) obtains a high fidelity video, and a receiver with a bad channel (high noise) obtains a low fidelity video. SoftCast's linear design in essence resembles the traditional analog approach to communication, which was abandoned in most major communication systems, as it does not enjoy the theoretical opimality of the digital separate design in point-topoint channels nor its effectiveness at compressing the source data. In this thesis, I show that in combination with decorrelating transforms common to modern digital video compression, the analog approach can achieve performance competitive with the prevalent digital design for a wide variety of practical point-to-point scenarios, and outperforms it in the broadcast and mobile scenarios. Since the conventional bit-pipe interface of the wireless physical layer (PHY) forces the separation of source and channel coding, to realize SoftCast, architectural changes to the wireless PHY are necessary. This thesis discusses the design of RawPHY, a reorganization of the PHY which exposes a waveform interface to the channel while shielding the designers of the higher layers from much of the perplexity of the wireless channel. I implement SoftCast and RawPHY using the GNURadio software and the USRP platform. Results from a 20-node testbed show that SoftCast improves the average video quality (i.e., PSNR) across diverse broadcast receivers in our testbed by up to 5.5 dB in comparison to conventional single- or multi-layer video. Even for a single receiver, it eliminates video glitches caused by mobility and increases robustness to packet loss by an order of magnitude.by Szymon Kazimierz Jakubczak.Ph.D

Physical Layer Techniques for High Frequency Wireline Broadband Systems

This thesis collects contributions to wireline and wireless communication systems with an emphasis on multiuser and multicarrier physical layer technology. To deliver increased capacity, modern wireline access systems such as G.fast extend the signal bandwidth up from tens to hundreds of MHz. This ambitious development revealed a number of unforeseen hurdles such as the impact of impedance changes in various forms. Impedance changes have a strong effect on the performance of multi-user crosstalk mitigation techniques such as vectoring. The first part of the thesis presents papers covering the identification of one of these problems, a model describing why it occurs and a method to mitigate its effects, improving line stability for G.fast systems.A second part of the thesis deals with the effects of temperature changes on wireline channels. When a vectored (MIMO) wireline system is initialized, channel estimates need to be obtained. This thesis presents contributions on the feasibility of re-using channel coefficients to speed up the vectoring startup procedures, even after the correct coefficients have changed, e.g., due to temperature changes. We also present extensive measurement results showing the effects of temperature changes on copper channels using a temperature chamber and British cables. The last part of the thesis presents three papers on the convergence of physical layer technologies, more specifically the deployment of OFDM-based radio systems using twisted pairs in different ways. In one proposed scenario, the idea of using the access copper lines to deploy small cells inside users' homes is explored. The feasibility of the concept, the design of radio-heads and a practical scheme for crosstalk mitigation are presented in three contributions