Eine leistungsfähige Vorwärtsfehlerkorrektur ist für jedes moderne Kommunikationssystem essentiell. Um die gesamte Fehlerkorrekturfähigkeit von Kanalcodes wie Low Density Parity Check (LDPC)-Codes nutzen zu können, muss jedoch eine rechnerisch anspruchsvolle Decodierung am Empfänger erfolgen. Insbesondere in Szenarien, in denen die Leistung der Endgeräte oder Latenz der Übertragung begrenzt sind, sind effiziente Decodieralgorithmen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde ein neuartiger Dekodierungsansatz entwickelt, der Ideen aus der Informationstheorie und dem maschinellen Lernen kombiniert und zu einem so genannten informationsoptimalen LDPC-Decoder führt. Insbesondere wurde die Information Bottleneck Methode verwendet, um sehr kompakte Darstellungen der in belief-propagation decoding ausgetauschten Nachrichten zu erhalten. Der Dekodierungsansatz wurde zudem verallgemeinert, um diesen auch für praktisch relevante irreguläre LDPC-Codes anwendbar zu machen. Dazu wurde eine weitere Technik entwickelt, das sogenannte „message alingment“. Als Ergebnis konnten LDPC-Dekodierer konstruiert werden, die eine nahezu optimale Leistung (0,2 dB Leistungsverschlechterung) bei sehr geringer Komplexität erreichen. Computersimulationen für irreguläre LDPC-Codes aus dem IEEE 802.11 (WLAN) und DVB-S2 Standard belegen die Anwendbarkeit der entwickelten Decoder auch in standardisierten Kommunikationssystemen.
Eine leistungsfähige Vorwärtsfehlerkorrektur ist für jedes moderne Kommunikationssystem essentiell. Um die gesamte Fehlerkorrekturfähigkeit von Kanalcodes wie Low Density Parity Check (LDPC)-Codes nutzen zu können, muss jedoch eine rechnerisch anspruchsvolle Decodierung am Empfänger erfolgen. Insbesondere in Szenarien, in denen die Leistung der Endgeräte oder Latenz der Übertragung begrenzt sind, sind effiziente Decodieralgorithmen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde ein neuartiger Dekodierungsansatz entwickelt, der Ideen aus der Informationstheorie und dem maschinellen Lernen kombiniert und zu einem so genannten informationsoptimalen LDPC-Decoder führt. Insbesondere wurde die Information Bottleneck Methode verwendet, um sehr kompakte Darstellungen der in belief-propagation decoding ausgetauschten Nachrichten zu erhalten. Der Dekodierungsansatz wurde zudem verallgemeinert, um diesen auch für praktisch relevante irreguläre LDPC-Codes anwendbar zu machen. Dazu wurde eine weitere Technik entwickelt, das sogenannte „message alingment“. Als Ergebnis konnten LDPC-Dekodierer konstruiert werden, die eine nahezu optimale Leistung (0,2 dB Leistungsverschlechterung) bei sehr geringer Komplexität erreichen. Computersimulationen für irreguläre LDPC-Codes aus dem IEEE 802.11 (WLAN) und DVB-S2 Standard belegen die Anwendbarkeit der entwickelten Decoder auch in standardisierten Kommunikationssystemen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein effizienter Soft-Decision Algorithmus vorgeschlagen, der fur die Decodierung langer linearen Blockcodes angewendet werden kann. Im Gegensatz zu Faltungscodes kann normalerweise die zusatzliche Zuverlassigkeitsinformation in die Decodierung von Blockcodes nicht auf einfache und effiziente Weise integrierte werden. Diese Arbeit ist ein Versuch, diese Lucke zu schliesen. Eine Moglichkeit der Hard-Decision Decodierung besteht in der Verwendung von sogenannten Informationsmengen. Eine Informationsmenge gestattet es, durch Kenntnis einiger Komponenten eines Codewortes die unbekannten Stellen exakt zu berechnen. In dieser Arbeit wird ein Decodieralgorithmus vorgestellt, der auf Informationsmengen basiert. Die Zuverlassigkeitsinformationen werden derart zur Auswahl der Informationsmengen verwendet, das fur sehr lange Blockcodes eine minimale Anzahl von Operationen notwendig ist. Zur weiteren Begrenzung der durchschnittlichen Komplexitat werden einige Kriterien hergeleitet, die einen Abbruch der Iteration gestatten, wenn der Algorithmus bereits eine Maximum-Likelihood Schatzung erreicht hat. Weiterhin werden ausfuhrliche Simulationen mit dem beschriebenen Algorithmus durchgefuhrt. Um auch sehr lange Blockcodes zu simulieren, wird zunachst eine Simulationsmethode vorgeschlagen, die die wahrscheinlichsten Fehlerereignisse stark berucksichtigt. Dadurch wird es moglich, sehr lange Codes auch fur grose Signal zu Rauschverhaltnis zu simulieren. Es wird eingehend untersucht, wie sich verschiedene Abbruchkriterien auf die Komplexitat des Decodieralgorithmus auswirken. Ferner wird dieser Algorithmus fur die BCH-Codes (128,64) und (255,123) angewendet. Es zeigt sich, das selbst mit wenigen Iterationen eine deutliche Steigerung gegenuber einer BMD-Decodierung erreicht werden kann. Durch Erhohung der Anzahl der Iterationen gestattet es der vorschlagene Algorithmus beliebig dicht an die Leistungsfahigkeit eines Maximum-Likelihood-Decodierers heranzukommen.
Dans cette thèse, nous présentons nos travaux dans le domaine de l'algorithme de décodage non-binaire pour les classes générales de codes LDPC non-binaires. Les Low-Density Parity-Check (LDPC) codes ont été initialement présentés par Gallager en 1963, et après quelques avancées théoriques fondamentales, ils ont été pris en compte dans les normes comme le DVB-S2, WI-MAX, DSL, W-LAN etc. Plus tard, Les codes LDPC non-binaires (NB-LDPC) ont été proposés dans la littérature, et ont montré de meilleures performances lorsque la taille du code est petite ou lorsqu'il est utilisé sur des canaux non-binaires. Toutefois, les avantages de l'utilisation des codes LDPC non-binaires entrainent une complexité de décodage fortement accrue. Pour un code défini dans GF (q), la complexité est de l'ordre O(q^2). De même, la mémoire nécessaire pour stocker les messages est d'ordre O(q). Par conséquent, l'implémentation d'un décodeur LDPC-définie sur un ordre q> 64 devient pratiquement impossible.L'objectif principal de la thèse est de développer des algorithmes a complexité réduite, pour les codes LDPC non-binaires qui démontrent un rendement excellent et qui soient implémentable. Pour optimiser les performances de décodage, non seulement l'algorithme de décodage est important, mais aussi la structure du code joue un rôle important. Avec cet objectif à l'esprit, une nouvelle famille de codes appelés codes cluster-NB-LDPC a été élaboré et des améliorations spécifiques du décodeur NB pour les codes de cluster-NB-LDPC ont été proposés. Notre principal résultat est que nous étions en mesure de proposer des décodeurs de codes cluster-NB-LDPC avec une complexité réduite par rapport à décodeurs d'habitude pour les codes LDPC-NB sur les corps de Galois, sans aucune perte de performance en matière de la capacité de correction d'erreur.
In der vorliegenden Arbeit werden mehrere Klassen quantenmechanischer Vielteilchensysteme im Formalismus der zweiten Quantisierung aus dem Blickpunkt von Symmetrien sowohl numerisch als auch analytisch untersucht. Um die numerischen Berechnungen durchführen zu können, wurde ein Computerprogramm mit Namen "ArbModel" mit den entsprechenden Fähigkeiten entwickelt. Hierbei wurde großen Wert auf Allgemeinheit gelegt, so dass Hamiltonians zu einer sehr großen Anzahl unterschiedlichster Modelle aufgestellt und diagonalisiert werden können. Alle Ideen, die für die Programmierung eines derartigen Programms notwendig sind, wurden erklärt und in dem numerischen Code verwirklicht. Mit diesem Programm zur Verfügung wurden Vielteilchensysteme, welche lediglich aus identischen Teilchen bestehen, im Allgemeinen untersucht. Es wurden allgemeine Bedingungen für das Vorhandensein einer dynamischen Symmetrie hergeleitet. Bedingungen für die schwächere Forderung nach der Erhaltung der sog. Senioritätsquantenzahl wurden ebenfalls im Detail untersucht. Obwohl derartige Untersuchungen in der Vergangenheit bereits stattgefunden haben, konnten neue Fälle gefunden und neue Bedingungen aufgestellt werden. Als überraschendes Ergebnis wurden Beispiele entdeckt, für welche die Seniorität im Allgemeinen gebrochen, für ein paar spezifische Zustände jedoch erhalten ist. Diese Zustände sind lösbar und entsprechende Formeln für ihre Anregungsenergien wurden angegeben. Alle analytischen Ergebnisse wurden mit "ArbModel" überprüft. Als weitere Anwendungen für den numerischen Code wurden die Vorhersagen einer sehr neuen Theorie, welche Quantenphasenübergänge mit sog. Verzweigungspunkten in Verbindung bringt, verifiziert. Hierfür wurde das sd-Interacting-Boson-Model 1 (sd-IBM1) mit einer sehr hohen Teilchenzahl verwendet. Außerdem wurde eine bestimmte dynamische Symmetrie des Interacting-Boson-Fermion-Models untersucht. Verzweigungsregeln für diese Bose-Fermi-Symmetrie wurden aufgestellt, sowie Auswahlregeln für M1-Übergänge abgeleitet. Auch hier verifiziert der numerische Code alle analytischen Ergebnisse. Da "ArbModel" alle analytischen Ergebnisse dieser Arbeit reproduziert, wurde somit auch der Beweis für Korrektheit dieses Programms gegeben.
Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.
La conception de codes LDPC binaires avec un faible plancher d'erreurs est encore un problème considérable non entièrement résolu dans la littérature. Cette thèse a pour objectif la conception optimale/optimisée de codes LDPC binaires. Nous avons deux contributions principales pour la construction de codes LDPC à faible plancher d'erreurs. Notre première contribution est un algorithme qui permet de concevoir des codes QC-LDPC optimaux à large girth avec les tailles minimales. Nous montrons par des simulations que notre algorithme atteint les bornes minimales fixées pour les codes QC-LDPC réguliers (3, dc) avec dc faible. Notre deuxième contribution est un algorithme qui permet la conception optimisée des codes LDPC réguliers en minimisant les trapping-sets/expansion-sets dominants(es). Cette minimisation s'effectue par une détection prédictive des trapping-sets/expansion-sets dominants(es) définies pour un code régulier C(dv, dc) de girth gt. Par simulations sur des codes de rendement différent, nous montrons que les codes conçus en minimisant les trapping-sets/expansion-sets dominants(es) ont de meilleures performances que les codes conçus sans la prise en compte des trapping-sets/expansion-sets. Les algorithmes que nous avons proposés se basent sur le RandPEG généralisé. Ces algorithmes prennent en compte les cycles non-vus dans le cas des codes quasi-cycliques pour garantir les prédictions.
Les Codes LDPC non-binaires de nouvelle génération Dans cette thèse, nous présentons nos travaux dans le domaine de l'algorithme de décodage non-binaire pour les classes générales de codes LDPC non-binaires. Les Low-Density Parity-Check (LDPC) codes ont été initialement présentés par Gallager en 1963, et après quelques avancées théoriques fondamentales, ils ont été pris en compte dans les normes comme le DVB-S2, WI-MAX, DSL, W-LAN etc. Plus tard, Les codes LDPC non-binaires (NB-LDPC) ont été proposés dans la littérature, et ont montré de meilleures performances lorsque la taille du code est petite ou lorsqu'il est utilisé sur des canaux non-binaires. Toutefois, les avantages de l'utilisation des codes LDPC non-binaires entrainent une complexité de décodage fortement accrue. Pour un code défini dans GF (q), la complexité est de l'ordre O(q^2). De même, la mémoire nécessaire pour stocker les messages est d'ordre O(q). Par conséquent, l'implémentation d'un décodeur LDPC-définie sur un ordre q> 64 devient pratiquement impossible.L'objectif principal de la thèse est de développer des algorithmes a complexité réduite, pour les codes LDPC non-binaires qui démontrent un rendement excellent et qui soient implémentable. Pour optimiser les performances de décodage, non seulement l'algorithme de décodage est important, mais aussi la structure du code joue un rôle important. Avec cet objectif à l'esprit, une nouvelle famille de codes appelés codes cluster-NB-LDPC a été élaboré et des améliorations spécifiques du décodeur NB pour les codes de cluster-NB-LDPC ont été proposés. Notre principal résultat est que nous étions en mesure de proposer des décodeurs de codes cluster-NB-LDPC avec une complexité réduite par rapport à décodeurs d'habitude pour les codes LDPC-NB sur les corps de Galois, sans aucune perte de performance en matière de la capacité de correction d'erreur.