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Scientific Reports / Impact of moderate aerobic exercise on small-world topology and characteristics of brain networks after sport-related concussion : an exploratory study
No full textSport-related concussion (SRC) is a complex brain injury. By applying graph-theoretical analysis to networks derived from neuroimaging techniques, studies have shown that despite an overall retention of small-world topology, changes in small-world properties occur after brain injury. Less is known about how exercise during athletes’ return to sport (RTS) influences these brain network properties. Therefore, in the present study dense electroencephalography (EEG) datasets were collected pre- and post-moderate aerobic exercise. Small-world properties of whole brain (WB) and the default mode network (DMN) were extracted from the EEG datasets of 21 concussed athletes and 21 healthy matched controls. More specifically, path length (LP), clustering coefficient (CP), and small-world index (SWI) in binary and weighted graphs were calculated in the alpha frequency band (7–13 Hz). Pre-exercise, SRC athletes had higher DMN-CP values compared to controls, while post-exercise SRC athletes had higher WB-LP compared to controls. Weighted WB analysis revealed a significant association between SRC and the absence of small-world topology (SWI ≤ 1) post-exercise. This explorative study provides preliminary evidence that moderate aerobic exercise during athletes’ RTS induces an altered network response. Furthermore, this altered response may be related to the clinical characteristics of the SRC athlete.Jessica Coenen, Michael Strohm & Claus Reinsberge
ReconOS64 - Hardware-Software Multithreading for Heterogeneous Platform FPGAs
Full text linkHeterogene Architekturen, welche aus mehreren Recheneinheiten im Verbund mit einer programmierbaren Logik bestehen, gewinnen zunehmend an Verbreitung. Die Entwicklungsprozesse sowie die Steuerung solcher heterogenen Umgebungen stellen jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Die Programmiertechniken für Hardware- und Software-Anwendungen unterscheiden sich bereits grundlegend; zudem benötigt die Steuerung zusätzliche Aufmerksamkeit. Die Verwendung von Hochsprachen-Synthesewerkzeugen (High-Level Synthesis) für das Hardwaredesign stellen einen ersten Schritt hin zu einem einheitlichen Entwurfsprozess dar. Allerdings beschränkt sich deren Einsatz auf den Designprozess, während das Management zur Laufzeit keine Berücksichtigung findet.FPGA-Betriebssysteme versuchen diese Lücke durch die Bereitstellung von Management- und Entwurfswerkzeugen zu schließen. Ein Beispiel für ein solches System ist ReconOS, welches die Hardware-Software-Interaktion durch Anbindung von hardwareseitigen Recheneinheiten als Threads in einem Host-Betriebssystem ermöglicht. Dadurch werden die aus der Softwareentwicklung bekannten Methoden zur Kommunikation zwischen mehreren Threads auf FPGA-Systeme ausgeweitet.Diese Arbeit stellt ReconOS64 vor, welches als Ableger von ReconOS auf aktuellen 64-bit Systemen verwendet werden kann. Neben der Unterstützung aktueller Plattformen sowie der Einrichtung eines neuen Designprozesses werden durch ReconOS64 zusätzliche Möglichkeiten sowohl zur Entwicklung wie auch zum Laufzeitmanagement geschaffen. Durch flexible Gruppierungen von Hardware-basierten Threads wird die Verwendung partieller Rekonfiguration zum Austausch einzelner Threads zur Laufzeit vereinfacht. Zudem erhöht die Entwicklung einer Multi-Taktsignal-Architektur die Flexibilität zur Laufzeit, da hierdurch einzelne Gruppen von Threads mit unterschiedlichen Taktsignalen versorgt werden können, welche zudem zurLaufzeit mit geringer Unterbrechungszeit verändert werden können.Zusätzlich werden im Rahmen dieser Arbeit weitere Entwicklungsprojekte auf verschiedenen Systemen für ReconOS64 und ReconOS vorgestellt.Heterogeneous computing devices comprising multiple processing systems combined with a programmable logic like an FPGA have become increasingly popular. Developing and runtime managing these heterogeneous platform devices, however, still poses multiple challenges. The programming paradigms for hardware and software applications fundamentally differ, while the runtime management requires additional attention. The first steps towards unifying design flows have been taken by creating high-level synthesis tools. However, these toolsfocus on the design process and lack runtime management features. FPGA operating systems aim to close this gap by providing runtime management features and build tools. ReconOS, as an example of an FPGA operating system, allows bridging the hardware-software gap by integrating hardware-located computation units as threads into a host operating system, allowing for familiar inter-thread programming paradigms to be extended to FPGAs. This thesis presents ReconOS64, a successor and fork of ReconOS, aiming at modern 64-bit platform systems-on-chip. Besides establishing support for this platform and incorporating new system generation processes, ReconOS64 provides additional features for both development and runtime management. By providing a flexible grouping mechanism for hardware-located threads, partial reconfiguration for exchanging individual threads at runtime is simplified. Further runtime flexibility was achieved by implementing a multi-clock architecture, allowing individual groups of threads to be executed at different frequencies, which can be adapted during runtime with a low reconfiguration overhead. In addition, this thesis provides an overview of further development approaches on various systems based on ReconOS64 and ReconOS.by Lennart Clausing ; Reviewers: Prof. Dr. Marco Platzner, Prof. Dr. Sybille HellebrandTag der Verteidigung: 20.03.2025Universität Paderborn, Dissertation, 202
Multiphoton quantum state engineering using time multiplexing : a single source but many entangled photons
No full textDie Weiterentwicklung der Quantentheorie bringt die Idee eines Quantenvorteils gegenüber klassischen Geräten hervor. Quantenoptische Technologie als Ressource zur Lösung klassisch unmöglicher Aufgaben im optischen Bereich benötigt somit dringend effiziente Quantenhardware und -techniken um einen tatsächlichen Nutzen zu demonstrieren. Insbesondere helles gequetschtes Licht sowie verschränkte Lichtzustände sind sehr gefragt in photonischen Quantentechnologien. In dieser Arbeit wird eine effiziente Quantenlichtquelle, die sowohl für die quantenoptische Zustandsmanipulation mit einzelnen als auch mit mehreren Photonen verwendet werden kann experimentell demonstriert. Die nichtlineare, wellenleiterbasierte Quelle ist räumlich und spektral so konstruiert, dass sie bei aufeinanderfolgender ultraschnell gepulster optischer Anregung helle, identische Quantenlichtzustände emittiert. Durch Ändern der Betriebsart werden vorangekündigte Einzelphotonen, gequetschtes Licht, polarisationsverschränkte Photonenpaare und mesoskopische Polarisationsverschränkung aus einer einzigen, neuartigen integrierten Wellenleiter-Freistrahlquelle erzeugt. Die neuartige Zeitmultiplex- und Feed-Forward-Methode funktioniert als ressourceneffizienter photonischer Verschränker, der einen einzelnen Quantenemitter und einen Quantenzwischenspeicher verwendet, um mehrere Photonen zu verschränken. Es wurden bis zu acht Photonen aus einer einzigen Bell-Zustandsquelle auf Basis parametrischer Fluoreszenz verschränkt; sodass sowohl theoretisch als auch experimentell den Vorteil des FeedForward-Schemas gegenüber dem bestehenden Stand der Technik zur experimentellen Erzeugung von Multiphotonenzuständen demonstriert werden konnte. Die intrinsische Multiphotonenemission aus einer parametrischen Fluoreszenz wird genutzt, um Multiphotoneninterferenz und nichtlineare Kriterien zur Bewertung von gequetschten Zuständen erstmals theoretisch und experimentell zu testen. Eine polarisationsverschränkte und polarisationsgequetschte Lichtquelle vom Sagnac-Typ wurde realisiert, indem eine große mittlere Photonenzahl pro Polarisationsmode aus der parametrischen Quelle berücksichtigt wurde. Anschließend wurde aus der Klickzählungs- und der Detektor-Multiplexing-Theorie eine einzigartige nicht-Gaußsche Messstrategie (Photonenzahl) in Form eines nichtlinearen Funktionals des Stokes-Operators konstruiert. Durch die Verwendung eines solchen nichtlinearen Operators wurden die nichtklassische Photonenzahlkorrelation und die nichtlinearen Polarisationsquetscheigenschaften der Lichtquelle mit hoher Präzision überprüft.The advancement of quantum theory brings up the idea of quantum advantage over classical devices. Quantum optical technology as a resource to solve classically impossible tasks in the optical domain, desperately needs efficient quantum hardware and techniques to demonstrate its actual usefulness. Specifically bright squeezed light and entangled states of light are highly demanding in photonic quantum technology. In this thesis, we experimentally demonstrate an efficient quantum light source that can be used for both single and multiphoton quantum optical state manipulation. The non-linear waveguide-based source is spatially and spectrally engineered to emit bright, identical quantum light states upon subsequent ultrafast-pulsed optical excitations. By changing the mode of operation we generate- heralded single-photons, squeezed light, polarization-entangled photon pairs, and mesoscopic polarization entanglement from a single, novel waveguide-bulk integrated source. Our novel time multiplexing and feed-forward method works as a resource-efficient photonic entangler, that uses a single quantum light source and a quantum buffer to entangle multiple photons. We entangle up to eight photons from a single parametric downconversion-based Bell state emitter; both theoretically and experimentally demonstrating the advantage of the feed-forward scheme over the existing state-of-the-art experimental schemes in multi-photon state generation. Theintrinsic nature of multiphoton emission from a parametric down-conversion source is utilized to test multiphoton interference and non-linear squeezing criteria theoretically and experimentally for the first time. A Sagnac-type polarization entangled and polarization squeezed light source is realized by considering a large mean photon number per polarization mode from the parametric source. A unique non-Gaussian (photon number) measurement strategy in the form of a non-linear functional of the Stokes operator is then constructed from click counting and detector multiplexing theory. By employing such a non-linear operator, non-classical photon number correlation and non-linear polarization squeezing properties of the light source are verified with high precision.von Nidhin PrasannanTag der Verteidigung: 21.03.2025Universität Paderborn, Dissertation, 202