Browsing by Title

Quarks and gluons are elementary particles called partons, which produce collimated sprays of particles when protons are collided head-on at the Large Hadron Collider. These observable signatures of the quarks and gluons are called jets and are recorded by huge particle detectors, such as the Compact Muon Solenoid. The reconstruction of the jets from detector signals attempts to trace the particle-level information all the way back to the level of the initial collision event with the initating partons. Jets originating from gluons and the three lightest quarks are very similar to each other, only exhibiting subtle differences caused by the fact that gluons radiate more intensely. Quark/gluon jet discrimination algorithms are dedicated to identifying these two types of jets. Traditionally, likelihood-based quark/gluon discriminators have been used. While machine learning is nothing new to the high energy physics community, the advent of deep neural networks caused an upheaval and they are now being implemented to take on various tasks across the research field, including quark/gluon discrimination. In this thesis, three different deep neural network models are presented and their comparative performance in quark/gluon discrimination is evaluated in seven different bins of varying jet transverse momentum and pseudorapidity. The performance of a likelihood-based discriminator is used as a benchmark. Deep neural networks prove to provide excellent performance in quark/gluon discrimination, with a jet image-based visual recognition model being the most robust and offering the largest performance improvement over the benchmark discriminator.

Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is a diverse group of cancers defined by their localization in the head and neck region. These cancers are recognized for the heterogeneity between tumors from separate patients (inter-patient heterogeneity) as well as between cell types within individual tumors (intra-tumoral heterogeneity). Heterogeneity poses a major clinical challenge by making accurate diagnosis and selection of treatment options difficult. This study aims to improve precision of prognosis, quantify heterogeneity in HNSCC, and address its functional implications using two approaches: (1) profiling a set of HNSCC patient tumors using multiplexed immunohistochemistry and single-cell computational methods to identify a set of phenotypic descriptors correlating with differences in survival; and (2) using patient-derived cancer cell lines to investigate which cellular features correlate with relevant functional properties such as plasticity, invasiveness, clonogenicity and tumorsphere-forming abilities of cells. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) as well as excistence of stem cell like states have been implicated in cancer aggressiveness and poor outcomes. We thus focused on identification of putative EMT, partial EMT (pEMT) and stem cell-like states. Based on a combination of morphometric analyses and stem cell- and EMT marker profiling, our computational method assigned patients into groups with different survival probabilities, and these patients’ tumors were found to differ in their expression of the stem cell transcription factor Sox2, the EMT transcription factor Slug, and in their morphometric parameters. Functional studies of patient-derived cell lines found that significant differences exist in protein expression, morphological features and cell behaviours between cell lines in vitro, and that inhibiting EMT promotes clonogenicity and can increase Sox2 expression. Thus, this study highlights important heterogeneous patient phenotypes and cellular behaviours in HNSCC, and implicates the need for a multimodal approach to diagnosis and therapy of this cancer.

Quantum computing has an enormous potential in machine learning, where problems can quickly scale to be intractable for classical computation. Quantum machine learning is research area that combines the interplay of ideas from quantum computing and machine learning. Powerful and useful machine learning is dependent on having large-scale datasets used to train the models to be able to solve real-life problems. Currently, quantum machine learning lacks a plethora of large-scale quantum datasets required to further develop the models and test the quantum machine learning algorithms. Lack of large datasets is currently limiting the quantum advantage in the field of quantum machine learning. In this thesis, the concept of quantum data and different types of applied quantum datasets used to develop quantum machine learning models is studied. The research methodology is based on a systematic and comparative literature review of the state of the art articles in quantum computing and quantum machine learning in the recent years. We classify datasets into inherent and non-inherent quantum data based on the nature of the data. The preliminary literature review addresses patterns in the applied quantum machine learning. Testing and benchmarking QML models primarily uses non-inherent quantum data, or classical data encoded into the quantum system, while separate research is focused on generating inherent quantum datasets.

Using quantum algorithms to carry out ML tasks is what is known as Quantum Machine Learning (QML) and the methods developed within this field have the potential to outperform their classical counterparts in solving certain learning problems. The development of the field is partly dependent on that of a functional quantum random access memory (QRAM), called for by some of the algorithms devised. Such a device would store data in a superposition and could then be queried when algorithms require it, similarly to its classical counterpart, allowing for efficient data access. Taking an axiomatic approach to QRAM, this thesis provides the main considerations, assumptions and results regarding QRAM and yields a QRAM handbook and comprehensive introduction to the literature pertaining to it.

The measurement of quantum states has been a widely studied problem ever since the discovery of quantum mechanics. In general, we can only measure a quantum state once as the measurement itself alters the state and, consequently, we lose information about the original state of the system in the process. Furthermore, this single measurement cannot uncover every detail about the system's state and thus, we get only a limited description of the system. However, there are physical processes, e.g., a quantum circuit, which can be expected to create the same state over and over again. This allows us to measure multiple identical copies of the same system in order to gain a fuller characterization of the state. This process of diagnosing a quantum state through measurements is known as quantum state tomography. However, even if we are able to create identical copies of the same system, it is often preferable to keep the number of needed copies as low as possible. In this thesis, we will propose a method of optimising the measurements in this regard. The full description of the state requires determining multiple different observables of the system. These observables can be measured from the same copy of the system only if they commute with each other. As the commutation relation is not transitive, it is often quite complicated to find the best way to match the observables with each other according to these commutation relations. This can be quite handily illustrated with graphs. Moreover, the best way to divide the observables into commuting sets can then be reduced to a well-known graph theoretical problem called graph colouring. Measuring the observables with acceptable accuracy also requires measuring each observable multiple times. This information can also be included in the graph colouring approach by using a generalisation called multicolouring. Our results show that this multicolouring approach can offer significant improvements in the number of needed copies when compared to some other known methods.

Interfaces of solid and liquid helium exhibit many physical phenomena. At very low temperatures the solid-liquid interface becomes mobile enough to allow a periodic melting-freezing wave to pro-pagate along the surface. These crystallization waves were experimentally confirmed in ^4He decades ago, but in ^3He they are only observable at extremely low temperatures (well below 0.5 mK). This presents a difficult technical challenge to create a measurement scheme with very low dissipation. We have developed a method to use a quartz tuning fork to probe oscillating helium surfaces. These mechanical oscillators are highly sensitive to interactions with the surrounding medium, which makes them extremely accurate sensors of many material properties. By tracking the fork's resonant frequency with two lock-in amplifiers, we have been able to attain a frequency resolution below 1 mHz. The shift in resonant frequency can then be used to calculate the corresponding change in surface level, if the interaction between the fork and the helium surface is understood. One of the main goals of this thesis was to create interaction models that could provide quantitative estimates for the calculations. Experimental results suggest that the liquid-vapour surface forms a column of superfluid that is suspended from the tip of the fork. Due to the extreme wetting properties of superfluids, the fork is also coated with a thin (∼ 300 Å) layer of helium. The added mass from this layer depends on the fork-surface distance. Oscillations of the surface level thus cause periodic change in the effective mass of the fork, which in turn modulates the resonant frequency. For the solid-liquid interface the interaction is based on the inviscid flow of superfluid around the moving fork. The added hydrodynamic mass increases when the fork oscillates closer to the solid surface. Crystallization waves below the fork will thus change the fork's resonant frequency. We were able to excite gravity-capillary and crystallization waves in ^4He with a bifilarly wound capacitor. Using the quartz tuning fork detection scheme we measured the spectrum of both types of waves at 10 mK. According to the interaction models developed in this thesis, the surface level resolution of this method was ∼ 10 μm for the gravity-capillary waves and ∼ 1 nm for the crystallization waves. Thanks to the low dissipation (∼ 20 pW) of the measurement scheme, our method is directly applicable in future ^3He experiments.

Quantum computers are one of the most prominent emerging technologies of the 21st century. While several practical implementations of the qubit—the elemental unit of information in quantum computers—exist, the family of superconducting qubits remains one of the most promising platforms for scaled-up quantum computers. Lately, as the limiting factor of non-error-corrected quantum computers has began to shift from the number of qubits to gate fidelity, efficient control and readout parameter optimization has become a field of significant scientific interest. Since these procedures are multibranched and difficult to automate, a great deal of effort has gone into developing associated software, and even technologies such as machine learning are making an appearance in modern programs. In this thesis, we offer an extensive theoretical backround on superconducting transmon qubits, starting from the classical models of electronic circuits, and moving towards circuit quantum electrodynamics. We consider how the qubit is controlled, how its state is read out, and how the information contained in it can become corrupted by noise. We review theoretical models for characteristic parameters such as decoherence times, and see how control pulse parameters such as amplitude and rise time affect gate fidelity. We also discuss the procedure for experimentally obtaining characteristic qubit parameters, and the optimized randomized benchmarking for immediate tune-up (ORBIT) protocol for control pulse optimization, both in theory and alongside novel experimental results. The experiments are carried out with refactored characterization software and novel ORBIT software, using the premises and resources of the Quantum Computing and Devices (QCD) group at Aalto University. The refactoring project, together with the software used for the ORBIT protocol, aims to provide the QCD group with efficient and streamlined methods for finding characteristic qubit parameters and high-fidelity control pulses. In the last parts of the thesis, we evaluate the success and shortcomings of the introduced projects, and discuss future perspectives for the software.

Tässä tutkielmassa analysoidaan kahden eri puolueita edustavan espanjalaisen poliitikon, Pablo Iglesiaksen (PI) ja Albert Riveran (AR), puheiden retoriikan keinoja ja populistisen diskurssin piirteitä. Tutkielman teoreettisen viitekehyksen muodostavat poliittisen ja populistisen diskurssin määritelmät ja niiden kytkeytyminen retoriikan käsitteisiin. Tutkielman tavoitteena on selvittää mitä retorisia piirteitä puheissa käytetään, millaisia vaikutuksia ne tuottavat, missä temaattisessa kontekstissa ne esiintyvät, mitä populistisen diskurssin piirteitä puheissa on ja miten puheet eroavat toisistaan. Aineisto koostuu kahdesta heinäkuussa 2015 pidetystä puheesta. Työn hypoteesina on, että vaikka puhujat edustavat eri poliittisia linjoja, he käyttävät samanlaisia strategioita. Tutkimusaineisto osoittaa, että kumpikin poliitikko käyttää monipuolisesti retoriikan eri keinoja. Intuitioon vetoavista keinoista kummankin poliitikon puheessa korostuvat perifraasit ja puhujien hellittämätöntä asennetta kuvastavissa keinoissa toisto on näkyvin. AR käyttää toistoa monipuolisemmin hyödyntämällä synonymiaa, kun taas PI toistaa täysin samoja sanoja ja fraaseja. Jännitettä luovista retoriikan keinoista AR:n puheessa korostuu puheen kannalta merkittävien henkilöiden ja ryhmien mainitseminen ja PI:n puheessa korostuu vastustajan herjaaminen. Viestinällisyyttä ilmaisevista keinoista ennakointi on näkyvin. Voidaan siis todeta, että puhujien tarmokkuutta ilmaisevat keinot ovat kummankin poliitikon puheissa yleisimpiä. Eniten puheissa korostuu uuden vaihtoehdon tarjoaminen perinteiselle kaksipuoluejärjestelmälle. AR:n puheessa nousee esille Katalonian asema ja säilyminen osana Espanjaa, kun taas PI:n puheessa korostuu tyytymättömyys nykyhallituksen toimintaan ja köyhempien asemaan. Kummassakin puheessa on populistisen diskurssin piirteitä, mutta ne ovat näkyvämpiä PI:n puheessa. Tämä näkyy esimerkiksi lupauksessa antaa kansalaisille enemmän mahdollisuuksia vaikuttaa ja tavassa herjata vastustajia suorin loukkauksin, mikä puolestaan puuttuu AR:n diskurssista.

Queer-tutkimus on yksi sukupuolentutkimuksen tuoreista suuntauksista, ja saanut oman sovelluksena myös teologian alalla. Queer-tutkimuksen pyrkimyksenä on päästä eroon yhteiskunnassa vallitsevasta kategorisoinnista sukupuolen ja seksuaalisuuden saralla, ja osoittaa valmiiden sukupuolen ja seksuaalisuuden kategorioiden kestämättömyys. Queer-teologia on queer-teoriaan pohjautuva postmodeni lähestymistapa uskontoon, sen oppeihin ja pyhiin kirjoituksiin. Kaikkia uskonnon rakenteita on mahdollista tutkia queer-teorian avulla. Queer-teologia kulkee uusien kontekstuaalisen teologian menetelmien, kuten homoteologian, jalanjäljissä. Queer on käsitteenä ymmärrettävissä monin tavoin, mutta oma ymmärrykseni tässä tutkielmassa korostaa Jeesuksen persoonan vinoutta. Queer käsitteenä kuvaa vahvasti teorian ominaispiirrettä vastakarvaan asettumisesta ja normien kyseenalaistamisesta – tämä tulee ilmeiseksi myös Johanneksen evankeliumin Jeesus-kuvaa tutkittaessa. Tässä tutkielmassa luen Johanneksen evankeliumia queer-näkökulmasta. Queer-teologian ja perinteisten eksegeettisten menetelmien lisäksi tutkimusmenetelmäni kattaa muun muassa maskuliinisuuden, seksuaalisuuden, homoseksuaalisuuden ja sukupuolentutkimuksen. Katseeni kohdistuu yksinomaan kirjalliseen kuvaukseen Jeesuksesta. Queer-näkökulman avulla käyn läpi Jeesuksen elämää Johanneksen evankeliumissa, ja esitän omat perusteluni sille, minkä takia Jeesus on mielestäni queer. Oman tulkintani mukaan Jeesuksen queeriys perustuu hänen hybridi-luontoonsa sekä ihmisenä että Jumalana, hänen sukupuoleensa, hänen sosiaalisiin suhteisiinsa, seksuaalisuuteensa, maskuliinisuuteensa sekä hänen opetukseensa. Tutkielmassa tuon myös esiin oman queerin määritelmäni, ja kriittisesti pyrin dekonstruoimaan queer-teoriaa sen seksuaalivoittoisesta muodostaan. En halua hylätä sukupuolen ja seksuaalisuuden merkitystä eheän Jeesus-kuvan luomisessa, vaan muistuttaa, että kaikkein syvin ymmärrys Jeesuksesta muodostuu hänen kokonaisvaltaisen persoonan tutkimisesta. Tämän takia Jeesuksen asenteiden tulkinta kulkee muiden aiheiden rinnalla kautta tutkielman vahvistaen kuvaa Jeesuksen queeriydestä. Kaikki Jeesuksen käyttäytymisessä ja olemuksessa rakentavat sitä, kuinka ymmärrän hänen sukupuoltaan ja seksuaalisuuttaan. Jeesuksen sukupuoli ja seksuaalisuus rakentuvat erityisesti suhteessa muihin ihmisiin ja Jumalaan. Jumalallinen puoli Jeesuksessa tekee hänestä ainoan laatuaan ja tämän takia hyvin oudon yksilön. Näin ollen Jeesuksen sukupuoli on queer-näkökulmasta katsoen mahdollista kyseenalaistaa. Myös Jeesuksen maskuliinisuuden tuottaminen on paikoitellen ristiriitaista, vaikka ylösnoussut Kristus kuvataan ultra-maskuliinisena inhimilliseen Jeesukseen verrattuna. Johanneksen evankeliumista nousee esiin kaksi henkilöä, jotka luovat kyseiselle evankeliumille ominaislaatuisen piirteensä: nimettömäksi jäävä Jeesukselle rakas opetuslapsi sekä Jeesuksen kuolleista herättämä Lasarus. Nämä kaksi miestä kuvataan selvästi Jeesuksen rakkauden kohteiksi. Jeesuksen sosiaaliset suhteet myös laajemmin valaisevat hänen asennoitumistaan muita ihmisiä kohtaan – kuinka hän kohtasi naiset, miehet, yhteiskunnan valtaapitävät, hyljeksityt ja sairaat. Kaikki ihmissuhteet Jeesuksen elämässä luovat kuvaa hänen queeriydestään, sillä Jeesus osoitti kritiikkiä vallitsevia normeja ja valtaapitäviä kohtaan, ja käyttäytymisellään hän käänsi sosiaalisen hierarkian täysin ylösalaisin. Jeesus eli ja toimi omana aikanaan yhteiskunnan normeja horjuttaen, eikä hänen persoonansa mahdu mihinkään valmiiseen muottiin tai kategoriaan. Näin Jeesus oman luentani mukaan osoittaa olevansa itse queer.

Tutkielmani käsittelee verta esittävien queer-miestaiteilijoiden esitysten kulttuurisia luentoja AIDS- diskurssin kautta. Tutkimuskohteeni ovat kolme soolomuotoista esitystaideteosta, joiden tekijät ovat queer- miehiä ja joissa tekijä-esiintyjät työskentelevät suoneniskennän keinoin verensä kanssa esitystilassa. Näiden esitysten rinnalla tutkimuskohteitani ovat myös näistä teoksista tuotetut puheet ja esitellyt anekdoottimaiset tapauskertomukset, esitysten kielellisinä jatkeina, jotka osallistavat ja myös alistavat ne tiettyihin diskursseihin. Tutkin kielen ja tulkintojen kautta AIDS-diskurssia, jonka kautta esiintyjien ruumista havainnoidaan ja määritellään. Tutkielmani paljastaa AIDS-diskurssin mahdollistamat keinot tuottaa heteronormatiivista ruumiinpolitiikkaa. Tutkimuksellinen lähtökohtani on jäljittää ja elävöittää se tutkimukselleni perustavanlaatuinen problematiikkaa, miten jäljittää AIDS-diskurssin kaltainen valtava abstraktinen kompleksi. Tutkimuskysymykseni on, miten puheet näistä esityksistä voidaan jäljittää AIDS-diskurssiin ja miten AIDS- diskurssi tulee reflektoineeksi normatiivisen kulttuurin ohjeita lukea näitä esityksiä. Kysyn; miten historialliset luennat sairaista ruumiista ohjaavat kulttuurisia tapojamme käsittää vähemmistöön kategorisoidut ruumiit; miten homoseksuaalisuus asemoidaan yhteiskunnassa; miten identiteettipoliittiset kategoriat jäsentävät katsehavaintoamme ja sen käännöstä kieleksi? Tutkimusmenetelmäni näiden kysymysten tutkimiseen on diskurssianalyyttinen, ja teoreettinen viitekehykseni on poikkitieteellinen rakennelma, joka suuntautuu psykoanalyysin, ruumiinfilosofian, queer-teorian, havainnon ja representaation teorioiden sekä niin kulttuurisen kuin kliinisen kritiikin kentille. Päädyn tutkimuksessani arvioimaan kriittisesti normatiivisia tapojamme jäsentää itseys ja toiseus katsehavainnon ja kielen tasoilla. Tutkimuksessani itsen ja toisen normatiiviset kategoriat suhteutuvat analogisesti muihin normatiivisiin yleisjaotteluihin kuten merkatun ja merkityksenantajan vastakkaisuuteen, jolla heteroseksuaalinen ideologia vahvistaa hegemonisuuttaan ja toteuttaa väkivaltaista toiseuttamisen politiikkaansa. Käsittelemiäni heteronormatiivisuuden ideologisia prosesseja ovat eri kategoristen subjektiviteettien ylläpito identiteettipoliittisin ehdoin sekä kompleksisemmin kulttuurisesti ohjatut tulkinnat ruumiin ulkoisen ja sisäisyyden välisyydestä. Jälkimmäisellä viittaan tutkimukseni lopulliseen argumenttiin somaattisista fiktioista, joilla viittaan tulkintojen tuotantoon toisen sisäisyydestä toisen ulkoisen ruumiinkuvallisuuden ja kulttuuristen normatiivisten lukuohjeiden perusteella. Tukea väitteilleni antavat käsittelemäni sairaista ja muista vähemmistökulttuureista tuotetut historialliset tulkinnat ja kertomukset. Pyrin pitkin tutkimusta myös havainnollistamaan ehdotuksia siitä, miten tehdä konkreettisesti töitä AIDS-diskurssin kaltaista hegemonista valtarakennelmaa vastaan. Tutkielmani on kokonaisuudessaan peruste lopulliselle väittämälleni, että meidän kunkin pitäisi katsovana ja kielellisenä subjektina pidättäytyä tuottamasta luonteeltaan aina väkivaltaisia tulkintoja toisten sisäisyydestä.