Chaotic and integrable magnetic fields in one-dimensional hybrid Vlasov-Maxwell equilibria

In this paper, we develop a one-dimensional, quasineutral, hybrid Vlasov-Maxwell equilibrium model with kinetic ions and massless fluid electrons and derive associated solutions. The model allows for an electrostatic potential that is expressed in terms of the vector potential components through the quasineutrality condition. The equilibrium states are calculated upon solving an inhomogeneous Beltrami equation that determines the magnetic field, where the inhomogeneous term is the current density of the kinetic ions and the homogeneous term represents the electron current density. We show that the corresponding one-dimensional system is Hamiltonian, with position playing the role of time, and its trajectories have a regular, periodic behavior for ion distribution functions that are symmetric in the two conserved particle canonical momenta. For asymmetric distribution functions, the system is nonintegrable, resulting in irregular and chaotic behavior of the fields. The electron current density can modify the magnetic field phase space structure, inducing orbit trapping and the organization of orbits into large islands of stability. Thus the electron contribution can be responsible for the emergence of localized electric field structures that induce ion trapping. We also provide a paradigm for the analytical construction of hybrid equilibria using a rotating two-dimensional harmonic oscillator Hamiltonian, enabling the calculation of analytic magnetic fields and the construction of the corresponding distribution functions in terms of Hermite polynomials

Theories of intramolecular vibrational energy transfer

Intramolecular vibrational energy transfer is a process central to many physical and chemical phenomena in molecules. Here, various theories describing the process are summarized with a special emphasis on nonlinear resonances. A large bibliography supplements the text. © 1991

Mathematical modelling and brain dynamical networks

In this thesis, we study the dynamics of the Hindmarsh-Rose (HR) model which studies the spike-bursting behaviour of the membrane potential of a single neuron. We study the stability of the HR system and compute its Lyapunov exponents (LEs). We consider coupled general sections of the HR system to create an undirected brain dynamical network (BDN) of Nn neurons. Then, we study the concepts of upper bound of mutual information rate (MIR) and synchronisation measure and their dependence on the values of electrical and chemical couplings. We analyse the dynamics of neurons in various regions of parameter space plots for two elementary examples of 3 neurons with two different types of electrical and chemical couplings. We plot the upper bound Ic and the order parameter rho (the measure of synchronisation) and the two largest Lyapunov exponents LE1 and LE2 versus the chemical coupling gn and electrical coupling gl. We show that, even for small number of neurons, the dynamics of the system depends on the number of neurons and the type of coupling strength between them. Finally, we evolve a network of Hindmarsh-Rose neurons by increasing the entropy of the system. In particular, we choose the Kolmogorov-Sinai entropy: HKS (Pesin identity) as the evolution rule. First, we compute the HKS for a network of 4 HR neurons connected simultaneously by two undirected electrical and two undirected chemical links. We get different entropies with the use of different values for both the chemical and electrical couplings. If the entropy of the system is positive, the dynamics of the system is chaotic and if it is close to zero, the trajectory of the system converges to one of the fixed points and loses energy. Then, we evolve a network of 6 clusters of 10 neurons each. Neurons in each cluster are connected only by electrical links and their connections form small-world networks. The six clusters connect to each other only by chemical links. We compare between the combined effect of chemical and electrical couplings with the two concepts, the information flow capacity Ic and HKS in evolving the BDNs and show results that the brain networks might evolve based on the principle of the maximisation of their entropies

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

Antenna near-field wave studies in magnetized plasmas as part of the optimization of auxiliary heating in fusion devicesAntenna near-field wave studies in magnetized plasmas as part of the optimization of auxiliary heating in fusion devices

C

Dynamical Tunneling in Systems with a Mixed Phase Space

Tunneling is one of the most prominent features of quantum mechanics. While the tunneling process in one-dimensional integrable systems is well understood, its quantitative prediction for systems with mixed phase space is a long-standing open challenge. In such systems regions of regular and chaotic dynamics coexist in phase space, which are classically separated but quantum mechanically coupled by the process of dynamical tunneling. We derive a prediction of dynamical tunneling rates which describe the decay of states localized inside the regular region towards the so-called chaotic sea. This approach uses a fictitious integrable system which mimics the dynamics inside the regular domain and extends it into the chaotic region. Excellent agreement with numerical data is found for kicked systems, billiards, and optical microcavities, if nonlinear resonances are negligible. Semiclassically, however, such nonlinear resonance chains dominate the tunneling process. Hence, we combine our approach with an improved resonance-assisted tunneling theory and derive a unified prediction which is valid from the quantum to the semiclassical regime. We obtain results which show a drastically improved accuracy of several orders of magnitude compared to previous studies.Der Tunnelprozess ist einer der bedeutensten Effekte in der Quantenmechanik. Während das Tunneln in eindimensionalen integrablen Systemen gut verstanden ist, gestaltet sich dessen Beschreibung für Systeme mit gemischtem Phasenraum weitaus schwieriger. Solche Systeme besitzen Gebiete regulärer und chaotischer Bewegung, die klassisch getrennt sind, aber quantenmechanisch durch den Prozess des dynamischen Tunnelns gekoppelt werden. In dieser Arbeit wird eine theoretische Vorhersage für dynamische Tunnelraten abgeleitet, die den Zerfall von Zuständen, die im regulären Gebiet lokalisiert sind, in die sogenannte chaotische See beschreibt. Dazu wird ein fiktives integrables System konstruiert, das im regulären Bereich eine nahezu gleiche Dynamik aufweist und diese Dynamik in das chaotische Gebiet fortsetzt. Die Theorie zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit numerischen Daten für gekickte Systeme, Billards und optische Mikrokavitäten, falls nichtlineare Resonanzketten vernachlässigbar sind. Semiklassisch jedoch bestimmen diese nichtlinearen Resonanzketten den Tunnelprozess. Daher kombinieren wir unseren Zugang mit einer verbesserten Theorie des Resonanz-unterstützten Tunnelns und erhalten eine Vorhersage,die vom Quanten- bis in den semiklassischen Bereich gültig ist. Ihre Resultate zeigen eine Genauigkeit, die verglichen mit früheren Theorien um mehrere Größenordnungen verbessert wurde

Dynamical Tunneling in Systems with a Mixed Phase Space

Tunneling is one of the most prominent features of quantum mechanics. While the tunneling process in one-dimensional integrable systems is well understood, its quantitative prediction for systems with mixed phase space is a long-standing open challenge. In such systems regions of regular and chaotic dynamics coexist in phase space, which are classically separated but quantum mechanically coupled by the process of dynamical tunneling. We derive a prediction of dynamical tunneling rates which describe the decay of states localized inside the regular region towards the so-called chaotic sea. This approach uses a fictitious integrable system which mimics the dynamics inside the regular domain and extends it into the chaotic region. Excellent agreement with numerical data is found for kicked systems, billiards, and optical microcavities, if nonlinear resonances are negligible. Semiclassically, however, such nonlinear resonance chains dominate the tunneling process. Hence, we combine our approach with an improved resonance-assisted tunneling theory and derive a unified prediction which is valid from the quantum to the semiclassical regime. We obtain results which show a drastically improved accuracy of several orders of magnitude compared to previous studies.Der Tunnelprozess ist einer der bedeutensten Effekte in der Quantenmechanik. Während das Tunneln in eindimensionalen integrablen Systemen gut verstanden ist, gestaltet sich dessen Beschreibung für Systeme mit gemischtem Phasenraum weitaus schwieriger. Solche Systeme besitzen Gebiete regulärer und chaotischer Bewegung, die klassisch getrennt sind, aber quantenmechanisch durch den Prozess des dynamischen Tunnelns gekoppelt werden. In dieser Arbeit wird eine theoretische Vorhersage für dynamische Tunnelraten abgeleitet, die den Zerfall von Zuständen, die im regulären Gebiet lokalisiert sind, in die sogenannte chaotische See beschreibt. Dazu wird ein fiktives integrables System konstruiert, das im regulären Bereich eine nahezu gleiche Dynamik aufweist und diese Dynamik in das chaotische Gebiet fortsetzt. Die Theorie zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit numerischen Daten für gekickte Systeme, Billards und optische Mikrokavitäten, falls nichtlineare Resonanzketten vernachlässigbar sind. Semiklassisch jedoch bestimmen diese nichtlinearen Resonanzketten den Tunnelprozess. Daher kombinieren wir unseren Zugang mit einer verbesserten Theorie des Resonanz-unterstützten Tunnelns und erhalten eine Vorhersage,die vom Quanten- bis in den semiklassischen Bereich gültig ist. Ihre Resultate zeigen eine Genauigkeit, die verglichen mit früheren Theorien um mehrere Größenordnungen verbessert wurde

Many Body Quantum Chaos

This editorial remembers Shmuel Fishman, one of the founding fathers of the research field "quantum chaos", and puts into context his contributions to the scientific community with respect to the twelve papers that form the special issue

Information-theoretic approach for the characterization of interactions in nonlinear dynamical systems

Symbolic time series analysis provides us a solid and broadly used toolkit for the characterization of interactions between nonlinear dynamical systems. In this thesis, information-theoretic measures are evaluated with respect to their capability to characterize interactions between dynamical systems. We investigate several important limitations of these measures which may appear when experimental data exhibit strong correlations. It is demonstrated that a high degree of static and/or long-term temporal correlations can, in general, lead to the incorrect inference of directionality of interactions between underlying dynamical systems. In this thesis, we propose two complementary information-theoretic measures which can provide a better characterization of the directionality of interactions in cases where the influence of such correlations in data cannot be neglected. First, the proposed information-theoretic measures are applied to characterize interactions between dynamical model systems with known equations of motion. Finally, they are applied to characterize interactions between multi-channel electroencephalographic recordings from epilepsy patients undergoing the presurgical diagnostics.Informationstheoretischer Ansatz zur Charakterisierung von Interaktionen in nichtlinearen dynamischen Systemen Mit Hilfe der Zeitreihenanalyse können Interaktionen zwischen natürlichen dynamischen Systemen anhand experimenteller Daten charakterisiert werden. In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Maßen vorgestellt, die darauf abzielen, neben der Interaktionsrichtung auch die Interaktionsstärke zu bestimmen. Die zur Charakterisierung von Interaktionsrichtungen konzipierte Transferentropie zeichnet sich gerade durch eine besonders hohe Rauschtoleranz gegenüber anderen Maßen aus. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zwei Limitationen, die die Interpretierbarkeit der Charakterisierungen mit der bisher vorgeschlagenen Transferentropie einschränken, zu untersuchen und auszuräumen. Zum einen wird ein Verfahren entwickelt und implementiert, mit dem langreichweitige Korrelationen besser beobachtet werden können, zum anderen werden Korrekturen vorgeschlagen, die den Einfluss so genannter statischer Korrelationen berücksichtigen. Bei Charakterisierungen von Interaktionsrichtungen mit Hilfe der Transferentropie konnten langreichweitige Korrelationen nur durch die Abschätzung von hochdimensionalen Wahrscheinlichkeitsräumen berücksichtigt werden. Für diese Abschätzung sind sehr viele Datenpunkte innerhalb des Beobachtungsintervalls notwendig, was bei Felddaten, gemessen an unbekannten Systemen, mit der Annahme der Stationarität in einem Beobachtungsintervall konkurriert. Um diese Beschränkung zu umgehen, wird in dieser Dissertation eine Verallgemeinerung des Konzepts der Entropie im Sinne von Lempel-Ziv auf das Maß der Transferentropie übertragen. Hierdurch können langreichweitige Korrelationen ohne die Abschätzung eines hochdimensionalen Wahrscheinlichkeitsraums bestimmt werden. Zeitgleiche Korrelationen der zugrunde liegenden Signale - so genannte statische Korrelationen - können die Interpretierbarkeit der Charakterisierung einschränken. Zur Berücksichtigung statistischer Korrelationen mit den bisher vorgestellten Maßen war ebenfalls eine mit einem großen Rechenaufwand verbundene Abschätzung hochdimensionaler Wahrscheinlichkeiten notwendig. In der vorliegenden Dissertation wird eine Korrektur der Transferentropie zur Abschätzung der statischen Korrelationen vorgeschlagen, ohne höherdimensionale Terme berechnen zu müssen. Durch die in dieser Arbeit vorgestellten Maße und Korrekturen kann die Charakterisierung der Interaktionsrichtung verbessert werden. Dabei wird anhand prototypischer Modellsysteme mit chaotischen Dynamiken demonstriert, dass die Charakterisierungen mit Hilfe der vorgeschlagenen Maße und Korrekturen gerade bei Systemen, die ohne Zeitversatz interagieren, besser interpretierbar sind. Weiterhin wurden Interaktionsstärke und Interaktionsrichtung an Zeitreihen hirnelektrischer Aktivität von Epilepsiepatienten bestimmt und mit Charakterisierungen der Transferentropie verglichen. Hierbei lässt sich zusammenfassen, dass sich mit den in dieser Arbeit vorgestellten Maßen Kontraste unterschiedlicher Interaktionsrichtungen besser auflösen lassen