Papers by Árpád I . Csurgay
2017 IEEE International Conference on Rebooting Computing (ICRC), 2017
The physical constraints underlying the concept of quantum circuit are considered. In particular ... more The physical constraints underlying the concept of quantum circuit are considered. In particular it is shown that the point of departure for their modeling starts from the interconnection of the components into a classical network, followed by quantization of the latter, and not by the interconnection of already quantized components. The procedure is straightforward for lossless networks but cannot be worked out in presence of resistors for the impossibility of constructing a Lagrangian function. However the difficulty is circumvented by distinguishing thermal from radiative resistors, the former being the usual ones, the latter being realized by semi-infinite LC transmission lines, for which the Lagrangian exists. In the complex plane s = σ + jω the impedance of a thermal resistor is Z(s) = R in the entire plane while that of a radiative resistor is Rsign(σ), so that the latter is lossless and does not dissipate energy but conveys it to the infinity. Comparison with Lindblad approa...
1st European Microwave Conference, 1969, 1969
Electromagnetic Wave Theory, 1967
A nano-áramkörök 1994-ben megkezdett realizálhatóság-elméleti vizsgálataihoz [1, 2, 3] kapcsolódv... more A nano-áramkörök 1994-ben megkezdett realizálhatóság-elméleti vizsgálataihoz [1, 2, 3] kapcsolódva, a TS 38345 számú kutatási program keretében azt elemeztük, hogy kizárólag elektromágneses kölcsönhatásokkal (tehát nem vezetékekkel, huzalokkal) csatolt nanorészecskékből (ezek lehetnek molekulák, nano-mágnesek, vagy fém nano-részecskék) áramkörök megvalósithatók-e vagy sem. A kérdés az volt, hogy (i) molekulák, (ii) nano-mágnesek, valamint (iii) jól vezető fém-nano-részecskék (metal-dot-ok, nanoantennák) síkbeli sejt-struktúrái milyen elektronikus áramköri feladatokat láthatnak el, azaz melyek a nano-áramkörök megvalósíthatóságának feltételei és korlátai. A kutatás tárgya tehát az elektromágneses kölcsönhatással csatolt nano-áramkörök (nanocircuits) realizálhatóságelméleti kérdései voltak. Korábban kétséges volt, hogy lehet-e ezekből az "alkatrészekből", egyáltalán vezetékekkel történő huzalozás nélkül, azaz kizárólag Coulomb-erővel, mágneses erővel, illetve elektromágneses kölcsönhatással (foton-csatolással) áramköröket építeni. A fenti "alkatrészek" nem hagyományos elektronikus építőelemek. De a már ismert nano-eszközök (nano devices, pl. félvezető rezonáns alagútdióda, nanotranzisztor, stb.) vezetékekkel történő integrálása is erősen korlátozza a sikeres áramkör-építés lehetőségeit. Vizsgálataink szerint, melyeket a University of Notre Dame Center for Nano Science and Technology (ND-CNST) laboratóriummal együttműködve végeztünk, nincs elvi korlátja annak, hogy (i) Coulomb erővel csatolt molekulákból [4, 5, 6], illetve (ii) mágneses erővel csatolt nano-mágnesekből [7, 8], bármely digitális rendszerfunkciót megvalósítsunk, ugyanis megmutattuk, és a ND-CNST kutatásai kísérletekkel is alátámasztották [9], hogy a fenti elektromágneses térrel csatolt nanorészecskékből a bináris jelvezetéket, a logikai invertert, az univerzális logikai kaput (majority gate) meg lehet valósítani, ha gondoskodunk a működéshez szükséges energia elektromágneses csatolással történő beviteléről is (ezúton aktivvá téve az architektúrát); (iii) fém nano-részecskékről nem sikerült megmutatnunk, hogy a digitális rendszerek univerzális építőelemei lehetnének. Viszont a fém nanorészecskéknek egy másik alkalmazásában, nevezetesen az infravörös és THz-es érzékelők realizálhatósági feltételeinek elemzésében értünk el eredményeket. Tanulmányoztuk a fém nano-részecskékből építhető fém-szigetelő-fém alagútdiódákat (MIM diódák) és az infravörös illetve THz-es sávban vevőantennaként működő nano-antennákat. E szerkezetekkel ugyanis nagy sebességű, szobahőmérsékleten is működőképes és CMOS áramköri lapkára integrálható érzékelők építhetők [10, 11, 12]. A nanoantennák elméleti elemzésének valamint az új tervezési módszerek szimulációval illetve kisérletekkel történő ellenőrzéséhez megkezdtük egy szerveren működő szoftverrendszer telepitését. A programcsomag csak 2006. januárjában érkezett be, ezért a munka e fázisának teljesitése áthúzódik a 2006. év első felére.
Studies of realazibility and many of nature provided examples show that the laws of physics prese... more Studies of realazibility and many of nature provided examples show that the laws of physics present no barrier to reducing the size of data storage cells and logic gates, until basic components are the size of atoms or molecules. In the deep submicron and nanoscale range the physics of our devices challenges our classical design methodology. Quantum effects emerge and frequently they take dominant sway. In this review paper we call the attention on the emerging new nanoelectronic devices and circuits, and evaluate their potential role in future data recording. Recent developments in nanomechanics, single electronics, magnetoelectronics and molecular electronics will be reviwed.
International Journal of Circuit Theory and Applications, 2001
A new computing architecture composed of Coulomb-coupled optically pumped two-state nanodevices i... more A new computing architecture composed of Coulomb-coupled optically pumped two-state nanodevices is proposed. A new four-level device, built from two coupled two-state devices called 'molecular pair', is introduced. Simulations on the equivalent circuit models of two-dimensional arrays composed of molecular pairs suggest that non-reciprocal pipelining wires, ring oscillators and NAND gates can be built. It is shown that the optically pumped molecular pairs do not stack in meta-stable states, and they restore logic levels. Copyright ? 2001 John Wiley & Sons, Ltd.
Roska, Tamás and Csurgay, Árpád István and Iván, Kristóf and Kalló, Imre and Karmos, György and K... more Roska, Tamás and Csurgay, Árpád István and Iván, Kristóf and Kalló, Imre and Karmos, György and Kovács, Ferenc and Levendovszky, János and Nyékyné dr. Gaizler, Judit and Prószéky, Gábor and Rekeczky, Csaba and Szirányi, Tamás and Takács, György and Ulbert, István ...
Three ways of nanodevice interconnection have been suggested so far. Metal-contacted devices in t... more Three ways of nanodevice interconnection have been suggested so far. Metal-contacted devices in the meso-scale range (10 to 100 nanometer), such as nano-transistors, resonant tunneling devices, RTDs and metal-dot single electron transistors, SETs, can be interconnected with wires. As long as each device has metal contacts, i.e. they are all embedded into ‘heat baths’, conventional interconnection with wires is possible. In this case circuit dynamics following the conservation laws of charge and energy obeys Kirchhoff’s laws. However, nanodevices not metal contacted, e.g. quantum-dot arrays and artificial atoms and molecules can be coupled by inter-device electron transport or by electromagnetic fields. In case of wiring and interdevice electron transport the current flow generates unavoidable dissipation. An alternative approach of device integration is electromagnetic field interaction between the devices, such as coupling by Coulombor by magnetic forces. This approach can bring de...
In this report we present (i) two applications of short wavelength spin-waves, (ii) a case study ... more In this report we present (i) two applications of short wavelength spin-waves, (ii) a case study on excitation energy transfer between two-state atoms, and (iii) a study on stimulated emission microscopy. To simulate micromagnetic spin-waves we use OOMMF – Object Oriented Micromagnetic Framework and electromagnetic simulations to estimate the generated wave amplitudes for different geometries and at different frequencies. To simulate room temperature molecular systems subject to optical frequency electromagnetic excitations we introduce equivalent quantum circuit models composed of (i) two-state ‘atoms’, (ii) ideal lossless harmonic oscillators and (iii) transmission lines coupled to (iv) heat baths representing the environment, and illuminated by (v) electromagnetic excitation. The temporal dynamics of the system is obtained by the numerical solution of the Liouville–von Neumann master equation describing the dynamics of the reduced density operator.
Technology and physics of discrete nanoscale electronic components are reasonably well understood... more Technology and physics of discrete nanoscale electronic components are reasonably well understood, but there exists a gap between device physics and nanoelectronic circuit integration. In this paper, we propose a modelling and simulation technique for integrated circuits composed of Coulomb-coupled nanodevices and subcircuits of metal-contacted devices. We assume that the Coulomb-coupled devices are far enough apart from each other that the overlap between their wave functions can be ignored. The internal electronic dynamics of the devices are described by quantum Markovian master equations, describing the dynamics of the devices as irreversible evolution of an open quantum system coupled to reservoirs. The electronic state of the devices are characterized by a ÿnite-dimensional time-varying real vector. The state of the nuclei is characterized by classical state variables such as position and momenta. The Coulomb ÿeld generated by the device is described by the expectation value of the charge density approximated as multipole moments. Device-device couplings are determined by multipole interactions. In this way, the integrated circuit dynamics can be described by a set of coupled nonlinear di erential equations. This set of mixed quantum-classical state equations leads us to the introduction of equivalent circuits. We conclude that integrated circuits composed of Coulomb-coupled and metalcontacted nanodevices do have circuit representations, thus circuit theory can be applied to build device models, to simulate and to design nanoelectronic integrated circuits. Copyright ? 2001 John Wiley & Sons, Ltd.
AIP Advances
In recent years, the role of molecular vibrations in exciton energy transfer taking place during ... more In recent years, the role of molecular vibrations in exciton energy transfer taking place during the first stage of photosynthesis attracted increasing interest. Here, we present a model formulated as a Lindblad-type master equation that enables us to investigate the impact of undamped and especially damped intramolecular vibrational modes on the exciton energy transfer, particularly its efficiency. Our simulations confirm the already reported effects that the presence of an intramolecular vibrational mode can compensate the energy detuning of electronic states, thus promoting the energy transfer; and, moreover, that the damping of such a vibrational mode (in other words, vibrational relaxation) can further enhance the efficiency of the process by generating directionality in the energy flow. As a novel result, we show that this enhancement surpasses the one caused by pure dephasing, and we present its dependence on various system parameters (time constants of the environmentinduced relaxation and excitation processes, detuning of the electronic energy levels, frequency of the intramolecular vibrational modes, Huang-Rhys factors, temperature) in dimer model systems. We demonstrate that vibrational-relaxation-enhanced exciton energy transfer (VREEET) is robust against the change of these characteristics of the system and occurs in wide ranges of the investigated parameters. With simulations performed on a heptamer model inspired by the Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex, we show that this mechanism can be even more significant in larger systems at T = 300 K. Our results suggests that VREEET might be prevalent in light-harvesting complexes.
International Journal of Circuit Theory and Applications
International Journal of Circuit Theory and Applications
The paper on 'Quantum Mechanical Computers' by Richard P. Feynman was published in 1986. In the l... more The paper on 'Quantum Mechanical Computers' by Richard P. Feynman was published in 1986. In the last 30 years, hope and disappointment alternated among engineers about design, fabrication, and operation of quantum computers. The report 'Quantum Shannon Theory' by Peter Shor [2] and his algorithm [3] envisaged progress quantum technology could achieve in metrology, communication, and computing. Visionary papers on 'The Second Quantum Revolution' [4] and on 'The Quantum Internet' assumed that an industry of large-scale quantum machines might emerge.
Scientific Reports
We present the design of a spin-wave-based microwave signal processing device. The microwave sign... more We present the design of a spin-wave-based microwave signal processing device. The microwave signal is first converted into spin-wave excitations, which propagate in a patterned magnetic thin-film. An interference pattern is formed in the film and its intensity distribution at appropriate read-out locations gives the spectral decomposition of the signal. We use analytic calculations and micromagnetic simulations to verify and to analyze the operation of the device. The results suggest that all performance figures of this magnetoelectric device at room temperature (speed, area, power consumption) may be significantly better than what is achievable in a purely electrical system. We envision that a new class of low-power, high-speed, special-purpose signal processors can be realized by spin-waves.
International Journal of Circuit Theory and Applications, 2015
International Journal of Circuit Theory and Applications
Uploads
Papers by Árpád I . Csurgay
A multidiszciplínáris kutatómunka a jelzett időszakban átfogja a következő tematikai elemeket:
- a celluláris érzékelő hullám-számitógép architektúrák széles körét
-a nanotechnológia, a mikroelektronika (beleértve a MEMS) és az optoelektronika területeit,
-a nano-bio technológia és molekuláris biológia kapcsolódó elemeit,
-a neurobiológiai ("konstrukciók") funkcionális elemzését,
- a multimodális érzékelésen és ennek elemzésén keresztül a szemantikus beágyazást és
-a humán nyelvtechnológia új irányzatait.
A Tudományos Iskola tematikájának bővülési iránya elsősorban a nanotechnológia, a bioinformatika, és a molekuláris biológia felé történt. Folytatódott az aktív együttműködés a Semmelweis Egyetem, az MTA Kísérleti Orvostudományi, Számítástechnikai és Automatizálási, Műszaki Fizikai és Anyag-tudományi és Pszichológiai Kutató Intézetei kapcsolódó csoportjaival és megkezdődött egy kollabo-ráció az MTA Enzimológiai Kutató Intézetével.
Külföldi partnereinkkel is, elsősorban a Kaliforniai Berkeley Egyetemmel, a Notre Dame Egyetemmel, a Leuven-i Katolikus Egyetemmel, a Torinói Műszaki Egyetemmel, a Müncheni Műszaki Egyetemmel, a Catania-i Egyetemmel, a Krakkói Jagello Egyetemmel és az Imperial College-al és a taivani Chiao-Tung Egyetemmel voltak a legaktívabbak a kapcsolataink.
A Főbb kutatási-fejlesztési területeken az alábbi témakörökben születtek fontosabb eredmények
Biológia inspirálta és neuromorf modellek, érzékelés és algoritmusok
Nanotechnológia, molekuláris biológia és dinamika, optika - modellezés, érzékelés és biointerfészek
Optikai érzékelők, számítógépek és bio-optikai eszközök
Bionikus interfészek konstrukciója és mérése, bio-kompatibilitás
Labor-egy-chip-en és gyógyszeradagoló eszközök, bio-MEMS-ek.
Celluláris Hullám Számítógépek és a kapcsolódó hardver-szoftver technológia alapjai
Mikro- elektronikai rendszerek és érzékelő eszközök – tervezés és mérés
Humán nyelvtechnológiák és mesterséges értés
Távjelenlét és multimédia
Érzékelő robotika és navigáció
Szoftvertechnológia és digitális számítógép algoritmusok
Orvosi diagnosztikai és rehabilitációs alkalmazások
Orvosi képalkotó eljárások kiértékelése, diagnosztika