Tractable Simulation of Error Correction with Honest Approximations to Realistic Fault Models

In previous work, we proposed a method for leveraging efficient classical simulation algorithms to aid in the analysis of large-scale fault tolerant circuits implemented on hypothetical quantum information processors. Here, we extend those results by numerically studying the efficacy of this proposal as a tool for understanding the performance of an error-correction gadget implemented with fault models derived from physical simulations. Our approach is to approximate the arbitrary error maps that arise from realistic physical models with errors that are amenable to a particular classical simulation algorithm in an "honest" way; that is, such that we do not underestimate the faults introduced by our physical models. In all cases, our approximations provide an "honest representation" of the performance of the circuit composed of the original errors. This numerical evidence supports the use of our method as a way to understand the feasibility of an implementation of quantum information processing given a characterization of the underlying physical processes in experimentally accessible examples.Comment: 34 pages, 9 tables, 4 figure

The Influence of platelet-rich Plasma on the immunological induced knee joint arthritis in a large animal model

Die Arbeit sollte den Effekt von platelet-rich Plasma (PRP) auf die autoimmun induzierte Arthritis (AIA) am Kniegelenk des Schweines untersuchen. Die systemische Immunisation der Schweine erfolgte mit bovinen Serumalbumin (BSA) - Injektionen. Danach erfolgte die intraartikuläre Injektion von BSA zur Arthritisinduktion in ausgewählte Kniegelenke. In einem zweiten Schritt erfolgte nach Arthritisinduktion die intraartikuläre PRP-Injektion in ausgewählte Kniegelenke. Zeichen der Arthritis konnten in Luminex assay-Messungen auf Interleukin-1 und 6 (Il1 und Il6), Tumornekrosefaktor (TNF), Vascular endothelial growth factor (VEGF), Insulin-like-growth factor (IGF1) und Proteinmessungen gezeigt werden. Desweiteren wurden histologische Färbungen mit Safranin-O, immunhistochemische Analysen auf Kollagen II und Il6 sowie VEGF durchgeführt. Die histologischen Untersuchungen zeigten deutliche arthritische Veränderungen in der Synovialmembran. Kollagen II und Safranin-O Färbungen zeigten einen verminderten Anteil an Proteoglykanen und Kollagen II im Knorpelgewebe. Il6 und VEGF konnte vermehrt im Knorpel und in der Synovialmembran histologisch dargestellt werden. Erhöhte Proteinkonzentrationen von IL-1 und 6, VEGF and IGF-1 in der Synovialmembran und im Knorpelgewebe konnten nachgewiesen werden. Nach Therapie mit PRP zeigte sich eine verminderte Schwere der arthritischen Veränderungen in Synovialmembran und Knorpelgewebe. Zusammenfassend konnte ein Großtiermodell am Schwein für AIA beschrieben werden. In den durchgeführten Untersuchungen konnte eine Reduktion der arthritischen Veränderungen in Synovialmembran und Knorpel nachgewiesen werden.The study was undertaken to investigate the effect of platelet-rich Plasma (PRP) on antigen- induced arthritis (AIA) of the knee joint in a porine model. The systemical immunization in a pig was induced by bovine serum albumin (BSA) injection. Arthritis was induced by intraarticular BSA injection. In a second step PRP was injected into the selected knee joints of the animals. Signs of arthritis were documented by Luminex assay messurements of Interleukin-1 (IL-1), IL-6, tumor necrosis factor (TNF), vascular endothelial growth factor (VEGF), insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and protein content. Further plain histologic analysis, Safranin O staining, and immunohistochemistry analysis for type II collagen (CII), interleukin-6 (IL-6), and VEGF were examinated. The plain histologic analysis showed severe arthritic changes in the synovium. Collagen II and Safranin O staining showed decreased proteoglycan and CII content in cartilage and increased levels of IL-6 and VEGF in synovium and cartilage. Increased protein concentrations of IL-6, VEGF, IL-1, and IGF-1 in synovium and cartilage were shown in the immunohistochemistry analysis. Treatment with PRP showed less severe arthritic changes in the synovium and cartilage. In conclusion we described a porcine model of AIA. Our experiments demonstrated that PRP can reduce arthritic changes in the synovial membrane and cartilage

Engineering Effective Hamiltonians for Magnetic Resonance

Effective Hamiltonian engineering is a powerful technique that utilises time-dependent perturbation theory to suppress or enhance certain effects that arise from otherwise weak Hamiltonian terms, when an experimenter attempts to control the evolution of a quantum system. With this thesis we conduct theoretical, numerical and experimental explorations of two somewhat different kinds of effective Hamiltonian engineering in magnetic resonance, aimed at elongating spin coherence times and increasing spin polarization. First, we provide a general framework for computing arbitrary time-dependent perturbation theory terms relevant for effective Hamiltonian engineering, as well as their gradients with respect to control variations, that immediately enables the use of gradient methods for optimizing these terms. We demonstrate the method in various numerical control engineering examples, including decoupling, recoupling, and robustness to control errors and stochastic errors. We then utilize the method in high-resolution nanoscale magnetic resonance experiments that use high-sensitivity silicon nanowire based force detection. With our numerically engineered control sequences, that are optimized to suppress spin decoherence under dipolar and chemical shift Hamiltonians, we achieve an increase by a factor of 500 in the proton spin coherence time for low-temperature, (50-nm)^3 polystyrene sample. We harness the enhanced spin coherence times for magnetic resonance imaging experiments on the nanoscale, and achieve one-dimensional imaging resolution below 2 nm on the same sample. Secondly, we study low-temperature, high magnetic field nuclear hyperpolarization of phosphorus donor nuclei in isotopically enriched 28-silicon crystal irradiated with nonresonant above band gap laser light. We demonstrate hyperpolarization with a time constant of 51.5 s, and introduce a phonon-mediated effective Hamiltonian model detailing the process. We verify our model by designing and conducting a series of magnetic resonance experiments

Stickstoffmanagement im ökologisch wirtschaftenden Betrieb: Minderung von Stickstoffverlusten

Einleitung: Stickstoff stellt in der landwirtschaftlichen Flächennutzung das zentrale Element für die Ertrags- und Qualitätsbildung dar, ist aber auch der Nährstoff mit den größten Umweltwirkungen. Ziel des ökologisch wirtschaftenden Betriebs muss daher sein, die Stickstoffzufuhr über Zwischenfrucht- und Hauptfruchtleguminosen zu optimieren und gleichzeitig die Stickstoffverluste zu minimieren. Hinsichtlich der Stickstoffzufuhr wurden im Leitbetriebe-Projekt die Fragen der Düngung mit stickstoffhaltigen Zukaufdüngern im Vergleich zu selbst erzeugtem Körnerleguminosenschrot, die Stickstoffnachlieferung von Futterleguminosen-Gemengen sowie von Winterzwischenfrüchten untersucht. Die Ergebnisse werden in den jeweiligen Kapiteln Feldgemüse, Kartoffeln und Futterbau abgehandelt. Schwerpunkt der folgenden Darstellung ist die Minimierung von Stickstoffverlusten. Fazit: Die auf Leitbetrieben durchgeführten Untersuchungen zur Minderung von Stickstoffverluste dienten dazu, die Ergebnisse wissenschaftlicher Primärarbeiten (s. Literatur) im Sinne des Wissenstransfers auf Praxisbetrieben zu erproben und zu demonstrieren. Die gezeigten Ergebnisse stehen weitgehend im Einklang mit diesen Primärarbeiten. Es zeigte sich, dass unmittelbar ertrags- oder qualitätssteigernde Maßnahmen wie der Frühjahrsumbruch von Kleegras auf Stickstoffmanagement leichten Böden oder die Gülleausbringung mit Schleppschläuchen einfacher in die Praxis umzusetzen sind als Maßnahmen, bei denen eine Verringerung von Stickstoffverlusten erst längerfristig zu einer Steigerung der Produktivität führt. Vielfach erschweren Zielkonflikte wie der zwischen dem Anbau von Zwischenfrüchten zur Stickstoffkonservierung und der zeitgerechten Bestellung der Nachfrucht oder wiederholter Stoppelbearbeitung zur Unkrautkontrolle zusätzlich die Umsetzung dieser Maßnahmen. Da die ökologische Bewirtschaftung – wie die Untersuchungen auf Praxisschlägen ergaben - nicht per se verlustarm ist, erscheint es notwendig, auch weiterhin Strategien zur Verlustminderung an den Einzelbetrieb anzupassen und die Beratung gezielt darauf abzustimmen

Energy efficient visible light communications relying on amorphous cells

In this paper, we design an energy efficient indoor Visible Light Communications (VLC) system from a radically new perspective based on an amorphous user-to-network association structure. Explicitly, this intriguing problem is approached from three inter-linked perspectives, considering the cell formation, link-level transmission and system-level optimisation, critically appraising the related optical constraints. To elaborate, apart from proposing hitherto unexplored Amorphous Cells (A-Cells), we employ a powerful amalgam of Asymmetrically Clipped Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ACO-OFDM) and transmitter pre-coding aided Multi-Input Single-Output (MISO) transmission. As far as the overall systemlevel optimisation is concerned, we propose a low-complexity solution dispensing with the classic Dinkelbach’s algorithmic structure. Our numerical study compares a range of different cell formation strategies and investigates diverse design aspects of the proposed A-Cells. Specifically, our results show that the A-Cells proposed are capable of achieving a much higher energy efficiency per user compared to that of the conventional cell formation for a range of practical Field of Views (FoVs) angles

High-Resolution Nanoscale Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

We present a new method for high-resolution nanoscale magnetic resonance imaging (nano-MRI) that combines the high spin sensitivity of nanowire-based magnetic resonance detection with high spectral resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. By applying NMR pulses designed using optimal control theory, we demonstrate a factor of $500$ reduction of the proton spin resonance linewidth in a $(50\text{-nm})^{\text{3}}$ volume of polystyrene and image proton spins in one dimension with a spatial resolution below $2~\text{nm}$.Comment: Main text: 8 pages, 6 figures; supplementary information: 10 pages, 10 figure

Anticipatory User-Association for Indoor Visible Light Communications: Light, Follow Me!

In this paper, a radically new anticipatory perspective is taken into account when designing the user-to-Access Point (AP) associations for indoor Visible Light Communications (VLC) networks, in the presence of users' mobility and wirelesstraffic dynamics. In its simplest guise, by considering the users' future locations and their predicted traffic dynamics, the novel anticipatory association prepares the APs for users in advance, resulting in an enhanced location- and delay-awareness. This is technically realised by our contrived design of an efficient approximate dynamic programming algorithm. More importantly, our study is in contrast to most of the current research in the area of indoor VLC networks, where static network environment was mainly considered. Hence, our study is able to draw insights on the performance trade-off between delay and throughput in dynamic indoor VLC networks. It is shown that the novel anticipatory design is capable of significantly outperforming the conventional benchmarking designs, striking an attractive performance trade-off between delay and throughput. Quantitatively, the average system queue backlog is reduced from 15 [ms] to 8 [ms], when comparing the design advocated to the conventional benchmark at the per-user throughput of 100 [Mbps], in a 15×15×5 [m 3 ] indoor environment associated with 8×8 APs and 20 users walking at 1 [m/s]