Στο πρώτο μέρος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας εισάγονται οι βασικές έννοιες της Θεωρίας Κωδικοποίησης και των Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων. Για τη διόρθωση λαθών στην περίπτωση της μετάδοσης μέσω ενός θορυβώδους καναλιού εφαρμόζεται κωδικοποίηση καναλιού με Γραμμικούς Μπλοκ Κώδικες, και πιο συγκεκριμένα Κώδικες Χαμηλής Πυκνότητας Ελέγχου Ισοτιμίας (Low-Density Parity-Check Codes, LDPC). Ορίζεται η μαθηματική περιγραφή των κωδίκων αυτών και διατυπώνονται σχετικοί ορισμοί και θεωρήματα. Επίσης, διατυπώνεται το κριτήριο Μέγιστης Πιθανοφάνειας, στο οποίο βασίζεται η ανάπτυξη του αντίστοιχου αποκωδικοποιητή. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει την εξομοίωση του αποκωδικοποιητή Μέγιστης Πιθανοφάνειας στο λογισμικό και την υλοποίησή του σε FPGA, στις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται Soft ή Hard είσοδοι στον αποκωδικοποιητή. Ακόμη, παρουσιάζεται η Αρχιτεκτονική του αποκωδικοποιητή και η Μεθοδολογία Σχεδίασής του. Παρουσιάζονται βελτιώσεις στη σχεδίαση του αποκωδικοποιητή που οδηγούν σε μείωση της απαιτούμενης επιφάνειας στο υλικό. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τις μετρήσεις των δύο υλοποιήσεων συγκρίνονται με την περίπτωση αποκωδικοποιητή βασισμένο σε επαναλήψεις και εξάγονται τα διαγράμματα ρυθμού σφαλμάτων bit και τα αντίστοιχα συμπεράσματα.
Στο πρώτο μέρος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας εισάγονται οι βασικές έννοιες της Θεωρίας Κωδικοποίησης και των Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων. Για τη διόρθωση λαθών στην περίπτωση της μετάδοσης μέσω ενός θορυβώδους καναλιού εφαρμόζεται κωδικοποίηση καναλιού με Γραμμικούς Μπλοκ Κώδικες, και πιο συγκεκριμένα Κώδικες Χαμηλής Πυκνότητας Ελέγχου Ισοτιμίας (Low-Density Parity-Check Codes, LDPC). Ορίζεται η μαθηματική περιγραφή των κωδίκων αυτών και διατυπώνονται σχετικοί ορισμοί και θεωρήματα. Επίσης, διατυπώνεται το κριτήριο Μέγιστης Πιθανοφάνειας, στο οποίο βασίζεται η ανάπτυξη του αντίστοιχου αποκωδικοποιητή. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει την εξομοίωση του αποκωδικοποιητή Μέγιστης Πιθανοφάνειας στο λογισμικό και την υλοποίησή του σε FPGA, στις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται Soft ή Hard είσοδοι στον αποκωδικοποιητή. Ακόμη, παρουσιάζεται η Αρχιτεκτονική του αποκωδικοποιητή και η Μεθοδολογία Σχεδίασής του. Παρουσιάζονται βελτιώσεις στη σχεδίαση του αποκωδικοποιητή που οδηγούν σε μείωση της απαιτούμενης επιφάνειας στο υλικό. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τις μετρήσεις των δύο υλοποιήσεων συγκρίνονται με την περίπτωση αποκωδικοποιητή βασισμένο σε επαναλήψεις και εξάγονται τα διαγράμματα ρυθμού σφαλμάτων bit και τα αντίστοιχα συμπεράσματα.
Οι κώδικες LDPC ανήκουν στην κατηγορία των block κωδικών. Πρόκειται για κώδικες ελέγχου σφαλμάτων μετάδοσης και πιο συγκεκριμένα για κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων. Αν και η εφεύρεσή τους (από τον Gallager) τοποθετείται χρονικά στις αρχές της δεκαετίας του 60, μόλις τα τελευταία χρόνια κατάφεραν να κεντρίσουν το έντονο ενδιαφέρον της επιστημονικής-ερευνητικής κοινότητας για τις αξιόλογες επιδόσεις τους. Πρόκειται για κώδικες ελέγχου ισοτιμίας με κυριότερο χαρακτηριστικό τον χαμηλής πυκνότητας πίνακα ελέγχου ισοτιμίας (Low Density Parity Check) από τον οποίο και πήραν το όνομά τους. Δεδομένου ότι η κωδικοποίηση των συγκεκριμένων κωδικών είναι σχετικά απλή, η αποκωδικοποίηση τους είναι εκείνη η οποία καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τα χαρακτηριστικά του κώδικα που μας ενδιαφέρουν, όπως είναι η ικανότητα διόρθωσης σφαλμάτων μετάδοσης (επίδοση) και η καταναλισκόμενη ισχύς. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης, οι οποίοι είναι επαναληπτικοί. Παρόλο που οι ανεπτυγμένοι αλγόριθμοι και οι διάφορες εκδοχές τους δεν είναι λίγοι, δεν έχει ακόμα καταστεί εφικτό να αναλυθεί θεωρητικά η επίδοσή τους. Στην παρούσα εργασία παρατίθενται οι κυριότεροι αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης κωδικών LDPC, που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Οι αλγόριθμοι αυτοί υλοποιούνται και συγκρίνονται βάσει των αποτελεσμάτων εξομοιώσεων. Ο πιο αποδοτικός από αυτούς είναι ο αποκαλούμενος αλγόριθμος log Sum-Product και στηρίζει σε μεγάλο βαθμό την επίδοσή του σε μία αρκετά πολύπλοκή συνάρτηση, την Φ(x). Η υλοποίηση της τελευταίας σε υλικό επιβάλλει την πεπερασμένη ακρίβεια αναπαράστασής της, δηλαδή τον κβαντισμό της. Το σφάλμα κβαντισμού που εισάγεται από την διαδικασία αυτή θέτει ένα όριο στην επίδοση του αλγορίθμου. Η μελέτη που έγινε στα πλαίσια της εργασίας οδήγησε στον προσδιορισμό δύο μηχανισμών εισαγωγής σφάλματος κβαντισμού στον αλγόριθμο log Sum-Product και στη θεωρητική έκφραση της πιθανότητας εμφάνισης κάθε μηχανισμού κατά την πρώτη επανάληψη του αλγορίθμου. Μελετήθηκε επίσης ο τρόπος με τον οποίο το εισαγόμενο σφάλμα κβαντισμού επιδρά στην απόφαση του αλγορίθμου στο τέλος της κάθε επανάληψης και αναπτύχθηκε ένα θεωρητικό μοντέλο αυτού του μηχανισμού. Το θεωρητικό μοντέλο δίνει την πιθανότητα αλλαγής απόφασης του αλγορίθμου λόγω του σφάλματος κβαντισμού της συνάρτησης Φ(x), χωρίς όμως να είναι ακόμα πλήρες αφού βασίζεται και σε πειραματικά δεδομένα. Η ολοκλήρωση του μοντέλου, ώστε να είναι πλήρως θεωρητικό, θα μπορούσε να αποτελέσει αντικείμενο μελλοντικής έρευνας, καθώς θα επιτρέψει τον προσδιορισμό του περιορισμού της επίδοσης του αλγορίθμου για συγκεκριμένο σχήμα κβαντισμού της συνάρτησης, αποφεύγοντας χρονοβόρες εξομοιώσεις.
Στην εργασία αυτή, μελετάμε, τόσο με αναλυτικό όσο και με υπολογιστικό τρόπο, γραμμικά και μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα σε συστήματα ημιαγώγιμων κβαντικών πηγαδιών GaAs/AlGaAs δύο ενεργειακών υποζωνών, όπου επάγονται διαϋποζωνικές μεταβάσεις, υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια θεωρητική περιγραφή των ημιαγώγιμων ετεροεπαφών. Ακολουθούν βασικά στοιχεία της στατιστικής και κβαντικής μηχανικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, εξάγονται οι γενικευμένες εξισώσεις Bloch για τις διαϋποζωνικές μεταβάσεις σε ημιαγώγιμα κβαντικά πηγάδια, στις οποίες ενυπάρχουν όροι που υπεισάγουν τις μη αμελητέες, λόγω εμπλουτισμού, αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων. Οι εξισώσεις αυτές αποτελούν τη βάση της μελέτης που ακολουθεί. Στα δύο επόμενα κεφάλαια, μελετούμε την αλληλεπίδραση μιας δομής διπλών συζευγμένων ημιαγώγιμων κβαντικών πηγαδιών με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μεταβλητής γωνιακής συχνότητας, καταλήγουμε σε αναλυτικές εκφράσεις για τη οπτική επιδεκτικότητα πρώτης, τρίτης και πέμπτης τάξεως και αναλύουμε τα φάσματα διαφόρων οπτικών φαινομένων, ως προς τη γωνιακή συχνότητα του εξωτερικού πεδίου, για διάφορες τιμές της επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας της κβαντικής δομής. Επιπλέον, προσδιορίζουμε τις περιοχές όπου λαμβάνουν τιμή οι διάφορες παράμετροι, ούτος ώστε στο σύστημά μας να αναδυθεί η οπτική διστάθεια. Στα τρία τελευταία κεφάλαια, θεωρούμε ότι η ημιαγώγιμη κβαντική δομή αλληλεπιδρά ταυτόχρονα με ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (πεδίο άντλησης) καθορισμένης γωνιακής συχνότητας και ένα ασθενές (πεδίο ανίχνευσης) μεταβλητής συχνότητας και μελετούμε τα φάσματα γραμμικών και μη γραμμικών φαινομένων του πεδίου ανίχνευσης (μίξη τεσσάρων κυμάτων, απορρόφηση, διασπορά, μη γραμμικό οπτικό φαινόμενο Kerr), σε στάσιμη κατάσταση, καθώς και τη χρονική εξέλιξη αυτών. Περιγράφουμε τα φαινόμενα τόσο με αναλυτικές εκφράσεις που εξάγουμε, όσο και με την αριθμητική επίλυση των μη-γραμμικών διαφορικών εξισώσεων του πίνακα πυκνότητας που διέπουν τη δυναμική. Στη μελέτη των φαινομένων αυτών, εξετάζεται η επίδραση της επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας της κβαντικής δομής στις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών πηγαδιών.
Η διόρθωση λαθών με κώδικες LDPC είναι μεγάλου ενδιαφέροντος σε σημαντικές νέες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, όπως δορυφορικό Digital Video Broadcast (DVB) DVB-S2, IEEE 802.3an (10GBASE-T) και IEEE 802.16 (WiMAX). Οι κώδικες LDPC ανήκουν στην κατηγορία των γραμμικών μπλοκ κωδικών. Πρόκειται για κώδικες ελέγχου και διόρθωσης σφαλμάτων μετάδοσης, με κυριότερο χαρακτηριστικό τους τον χαμηλής πυκνότητας πίνακα ελέγχου ισοτιμίας (Low Density Parity Check), από τον οποίο και πήραν το όνομά τους. Η αποκωδικοποίηση γίνεται μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας ανταλλαγής πληροφορίας μεταξύ δύο τύπων επεξεργαστικών μονάδων. Η υλοποίηση σε υλικό των LDPC αποκωδικοποιητών αποτελεί ένα ραγδαία εξελισσόμενο πεδίο για τη σύγχρονη επιστημονική έρευνα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας υπήρξε ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και η βελτιστοποίηση αρχιτεκτονικών αποκωδικοποιητών VLSI για κώδικες LDPC. Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης, οι οποίοι είναι επαναληπτικοί. Μελετήθηκαν αρχιτεκτονικές βασισμένες σε δύο αλγόριθμους, τον log Sum-Product και τον Min-Sum. Ο πρώτος είναι θεωρητικά βέλτιστος, αλλά ο Min-Sum είναι αρκετά απλούστερος και έχει μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον στα πλαίσια μιας ρεαλιστικής εφαρμογής. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δύο αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης, οι οποίοι χρησιμοποιούν ως δομικά στοιχεία, τους δύο προαναφερθέντες αλγορίθμους και τη φιλοσοφία του layered decoding. Η μελέτη μας επικεντρώθηκε σε κώδικες, η δομή των πινάκων ελέγχου ισοτιμίας των οποίων, προσφέρεται για υλοποίηση. Για αυτό το λόγο, χρησιμοποιήσαμε κώδικες του προτύπου WiMax 802.16e. Η συνεισφορά της παρούσας εργασίας έγκειται στο σχεδιασμό και την υλοποίηση αποδοτικών αρχιτεκτονικών σε επίπεδο επιφάνειας και ταχύτητας αποκωδικοποίησης (Mbps), καθώς και η διερεύνηση του σχετικού σχεδιαστικού χώρου, χρησιμοποιώντας ως σχεδιαστικές παραμέτρους, τον αλγόριθμο αποκωδικοποίησης, τη χρονοδρομολόγηση των πράξεων, το βαθμό παραλληλίας της αρχιτεκτονικής, το βάθος του pipelining και την αριθμητική αναπαράσταση των δεδομένων. Επιπλέον, είναι σημαντικό να αναφέρουμε πως, στα πλαίσια της σχεδίασης του LDPC αποκωδικοποιητή και με τη βοήθεια του εργαλείου Matlab, αναπτύχθηκαν παραμετρικά scripts για την παραγωγή του VHDL κώδικα. Οι δύο βασικές παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το πλήθος των επεξεργαστικών μονάδων και το μήκος λέξης των δεδομένων. Τα scripts αυτά αποτέλεσαν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο κατά τη διαδικασία ανάπτυξης και βελτιστοποίησης της αρχιτεκτονικής, δίνοντας μας τη δυνατότητα να παράγουμε με αυτοματοποιημένο και γρήγορο τρόπο τον VHDL κώδικα, για τις επιμέρους μονάδες του αποκωδικοποιητή. Η υλοποίηση ενός μοντέλου αποκωδικοποιητή σε υλικό, μας δίνει τη δυνατότητα να διεξάγουμε ταχύτατες εξομοιώσεις, σε σχέση με αντίστοιχες υλοποιήσεις σε λογισμικό (π.χ. σε Matlab περιβάλλον). Διαθέτουμε, έτσι, ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της επίδοσης διαφόρων ρεαλιστικών υλοποιήσεων αποκωδικοποιητών. Κατά τη διάρκεια της υλοποίησης, αξιοποιήθηκε αναπτυξιακό σύστημα βασισμένο σε virtex-4 fpga.
Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο «Φωτονικές τεχνολογίες για την ασφαλή διαχείριση Δεδομένων» διερευνήθηκε η χρήση των φωτονικών μη-κλωνοποιήσιμων φυσικών συναρτήσεων (Physical Unclonable Functions - PUF), ως κεντρικά στοιχεία για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς συστημάτων, τα οποία θα επιτρέπουν την παραγωγή κρυπτογραφικών κλειδιών «τη αιτήσει» και σε πραγματικό χρόνο. Η διερεύνηση αυτή κινήθηκε σε 3 βασικούς άξονες: Ο πρώτος άξονας αφορούσε στη μελέτη υλικών και τεχνικών για τον εντοπισμό του βέλτιστου συνδυασμού αυτών που επιτυγχάνει τις μέγιστες επιδόσεις ασφάλειας ενός τέτοιου συστήματος. Ο δεύτερος εστιάστηκε στην εξέταση της αξιοπιστίας των εν λόγω υλικών και τεχνικών καθόσον αφορά στην σταθερότητα τους σε περιβαλλοντικούς παράγοντες και στην ανθεκτικότητά τους σε υπολογιστικές επιθέσεις. Τέλος ο τρίτος άξονας επικεντρώθηκε στην συγκριτική αξιολόγηση των επιδόσεών τους, η οποία πραγματοποιήθηκε με αλγόριθμους επεξεργασίας και ανάλυσης πειραματικών δεδομένων και με μεθόδους προσομοίωσης των σχετικών φαινομένων.Αναλυτικότερα, στο παρόν πόνημα αρχικά παρουσιάζεται το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε για την προσομοίωση των φυσικών διεργασιών που διέπουν την πλειοψηφία των φωτονικών PUFs. Το εν λόγω αριθμητικό μοντέλο, το οποίο βασίζεται κυρίως στην βαθμωτή θεωρία για την περίθλαση και στην κλασσική θεωρία των speckle patterns, χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για τον σχεδιασμό όλων των πειραματικών διατάξεων που υλοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής και για την εκτίμηση της αναμενόμενης απόδοσής τους. Κατόπιν, περιγράφεται η υπολογιστική διαδικασία που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, μέσω των οποίων επιτεύχθηκε η εξαγωγή των ζητούμενων κρυπτογραφικών κλειδιών από τις διαθέσιμες αποκρίσεις εκάστης διάταξης. H υπολογιστική αυτή διαδικασία περιλαμβάνει διάφορες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και συναρτήσεις κατακερματισμού εικόνων (Hash Functions), οι οποίες, σε συνδυασμό με έναν κώδικα διόρθωσης λαθών (Error Correction Code - ECC) που χρησιμοποιείται στα πλαίσια ενός ασαφούς εξαγωγέα (Fuzzy Extractor), οδηγούν σε τυχαίες και απαλλαγμένες από σφάλματα, που προκαλούνται λόγω του αναπόφευκτου θορύβου παρατήρησης, δυαδικές ακολουθίες. Τέλος, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τρεις διαφορετικές διατάξεις φωτονικών PUFs, οι οποίες υλοποιήθηκαν με σκοπό να δοκιμαστούν τρεις εναλλακτικές μέθοδοι παραγωγής διεγέρσεων και δύο διαφορετικά υποψήφια υλικά. Από τα εν λόγω πειραματικά αποτελέσματα αξιολογήθηκαν και τα κυριότερα χαρακτηριστικά ασφαλείας κάθε διάταξης, τα οποία αφορούν στην ευρωστία (Robustness), στην φυσική μη - κλωνοποιησιμότητα (Physical Unclonability) και στην φυσική μη - προβλεψιμότητα (Physical Unpredictability) των παραγόμενων κλειδιών τους. Εν κατακλείδι, προϊόν της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι μιας πλήρως αξιόπιστη φωτονική PUF, βασικός πυρήνας της οποίας αποτελεί ένας συμβατικός οπτικός διαχύτης. Η εν λόγω PUF, η οποία χρησιμοποιεί ένα Digital Micromirror Device (DMD) για την παραγωγή των απαιτούμενων διεγέρσεων εξάγει δυαδικές ακολουθίες με πειραματικά αποδεδειγμένη επαναληψιμότητα που ξεπερνά τον έναν μήνα συνεχούς λειτουργίας και κρυπτογραφικής ασφάλειας έγκυρα πιστοποιημένης μέσω των ευρέως αποδεκτών ελέγχων τυχαιότητας του NIST. Τα ευρήματα μάλιστα των δραστηριοτήτων που οδήγησαν στην υλοποίηση αυτή εκτιμάται ότι προσδιορίζουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις κυριότερες προδιαγραφές για την σχεδίαση ενός ολοκληρωμένου εργαστηριακού πρωτοτύπου μιας φωτονικής PUF. Η βιομηχανοποίηση του πρωτοτύπου αυτού αναμένεται να υποσκελίσει, σε επιδόσεις ασφαλείας, τις ήδη διαθέσιμες συμβατικές γεννήτριες τυχαίων αριθμών (Random Number Generator - RNG), καθώς δύναται να οδηγήσει σε φορητές, χαμηλού κόστους και άμεσης εμπορικής εκμετάλλευσης συσκευές.
Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την ανάπτυξη βιβλιοθήκης συναρτήσεων για κβαντικό υπολογισμό και τη δημιουργία γραφικού περιβάλλοντος το οποίο χρησιμοποιεί τη συγκεκριμένη βιβλιοθήκη. Αρχικά μελετήθηκαν: πρώτον, οι βασικές έννοιες που διέπουν τους κβαντικούς υπολογιστές και δεύτερον, η χρήση και οι δυνατότητες της γλώσσας python. Εν συνέχεια, ύστερα από εμβάθυνση στα ανωτέρω πεδία πραγματοποιήθηκε η συγγραφή της κβαντικής βιβλιοθήκης καθώς και η δημιουργία του γραφικού περιβάλλοντος που χρησιμοποιεί τη κβαντική αυτή βιβλιοθήκη. Επίσης δημιουργήθηκε και μία γραφική διεπαφή για την παρουσίαση των γραφικών παραστάσεων που παρουσιάζουν τα αποτελέσματα του κβαντικού υπολογισμού. Η ανάπτυξη του προγράμματος πραγματοποιήθηκε σε γλώσσα Python.
Η σύγχρονη κβαντική επιστήμη και τεχνολογία υπόσχονται στο εγγύς μέλλον την ανάπτυξη συσκευών ικανών να φέρουν επανάσταση σε τομείς όπως η πληροφορική, οι επικοινωνίες, οι αισθητήρες και η αποθήκευση ενέργειας, αξιοποιώντας τις αρχές της κβαντομηχανικής. Στην καρδιά αυτών των εξωτικών εφαρμογών βρίσκεται το πρόβλημα της αποτελεσματικής προετοιμασίας των κβαντικών καταστάσεων. Αυτή η διατριβή αξιοποιεί προηγμένες μεθόδους από τον κβαντικό βέλτιστο έλεγχο για να αντιμετωπίσει βασικές προκλήσεις στην προετοιμασία κβαντικών καταστάσεων, δίνοντας έμφαση στην αναδυόμενη εφαρμογή της κβαντικής αποθήκευσης ενέργειας, προχωρώντας από απλούστερα συστήματα σε συστήματα υψηλότερης πολυπλοκότητας. Ξεκινάμε λύνοντας το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου ελάχιστου χρόνου για τη δημιουργία μιας ομοιόμορφης υπέρθεσης σε ένα κβαντικό σύστημα δύο επιπέδων, μια κατάσταση που χρησιμοποιείται εκτενώς στον αλγόριθμο κβαντικής αναζήτησης του Grover, χρησιμοποιώντας μόνο ένα εγκάρσιο πεδίο ελέγχου περιορισμένου πλάτους. Εξάγουμε αυστηρά βέλτιστες ακολουθίες παλμών τύπου bang-bang για όλους τους λόγους μέγιστου πλάτους ελέγχου και σταθεράς αποσυντονισμού του κβαντικού ψηφίου. Στη συνέχεια, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της αποτελεσματικής μεταφοράς πληθυσμού σε ένα ατομικό σύστημα τριών επιπέδων τύπου Λ με απώλειες, το οποίο είναι σημαντικό για την κβαντική ανίχνευση. Απεικονίζουμε αυτό το πρόβλημα στο απλούστερο πρόβλημα του βέλτιστου ελέγχου ενός κλασικού αρμονικού ταλαντωτή, το οποίο μπορεί να λυθεί αναλυτικά, και στη συνέχεια επιβεβαιώνουμε αριθμητικά ότι αυτή η λύση μπορεί να επιτύχει σχεδόν βέλτιστη μεταφορά πληθυσμού στο αρχικό κβαντικό σύστημα, προσεγγίζοντας τη βέλτιστη απόδοση για μεγαλύτερες χρονικές διάρκειες. Ακολούθως, στρέφουμε την προσοχή μας στο πρόβλημα της ταχείας φόρτισης κβαντικών μπαταριών, συσκευών που εκμεταλλεύονται τις αρχές της κβαντομηχανικής για την αποθήκευση ενέργειας, αποτελούμενες από συζευγμένα σπιν με αλληλεπίδραση Ising μεταξύ των πλησιέστερων γειτόνων. Μελετάμε δύο κβαντικές μπαταρίες, ένα ζεύγος σπιν και μια αλυσίδα τριών σπιν, στο συνηθισμένο πειραματικό πλαίσιο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού με σταθερό διαμήκες πεδίο και εγκάρσιο πεδίο ελέγχου με χρονικά εξαρτώμενο πλάτος και φάση. Και για τα δύο συστήματα αναδεικνύουμε τον κρίσιμο ρόλο που παίζει ο λόγος της σύζευξης Ising προς το σταθερό διαμήκες πεδίο στον προσδιορισμό της αρχικής θεμελιώδους κατάστασης και της βέλτιστης διαδικασίας φόρτισης. Για ένα εγκάρσιο πεδίο ελέγχου με φέρουσα συχνότητα που επιλέγεται για να φέρει σε συντονισμό την αρχική κατάσταση με την κατάσταση-στόχο της υψηλότερης ενέργειας, όπου όλα τα σπιν βρίσκονται στην άνω κατάσταση, διακρίνουμε δύο περιπτώσεις. Στην περίπτωση ασθενούς σύζευξης, όπου η αρχική θεμελιώδης κατάσταση είναι αυτή με όλα τα σπιν κάτω, το βέλτιστο πλάτος ελέγχου είναι σταθερά ίσο με τη μέγιστη επιτρεπτή τιμή καθ' όλη τη διάρκεια και η φάση διαμορφώνεται κατάλληλα με τον χρόνο, ενώ η διάρκεια πλήρους φόρτισης τείνει προς το μηδέν καθώς αυξάνεται το άνω όριο του πλάτους. Στην περίπτωση ισχυρής σύζευξης, όπου η αρχική θεμελιώδης κατάσταση είναι μια κατάσταση Bell για το ζεύγος σπιν και η κατάσταση Dicke |W> μίας διέγερσης για την αλυσίδα με τα τρία σπιν, το βέλτιστο πλάτος ελέγχου μπορεί να περιέχει ιδιάζοντα διαστήματα κατά τα οποία μηδενίζεται, οπότε και η φάση του πεδίου σε αυτά δεν παίζει ρόλο. Σε αυτήν την περίπτωση, ο χρόνος πλήρους φόρτισης φαίνεται να τείνει σε μια μη μηδενική τιμή καθώς αυξάνεται το άνω όριο του πλάτους ελέγχου. Συνολικά, τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτή τη διατριβή ενοποιούν τις θεωρητικές γνώσεις από τον βέλτιστο έλεγχο με σημαντικές εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες.