Background Intensive Care Resources are heavily utilized during the COVID-19 pandemic. However, risk stratification and prediction of SARS-CoV-2 patient clinical outcomes upon ICU admission remain inadequate. This study aimed to develop a machine learning model, based on retrospective & prospective clinical data, to stratify patient risk and predict ICU survival and outcomes. Methods A Germany-wide electronic registry was established to pseudonymously collect admission, therapeutic and discharge information of SARS-CoV-2 ICU patients retrospectively and prospectively. Machine learning approaches were evaluated for the accuracy and interpretability of predictions. The Explainable Boosting Machine approach was selected as the most suitable method. Individual, non-linear shape functions for predictive parameters and parameter interactions are reported. Results 1039 patients were included in the Explainable Boosting Machine model, 596 patients retrospectively collected, and 443 patients prospectively collected. The model for prediction of general ICU outcome was shown to be more reliable to predict “survival”. Age, inflammatory and thrombotic activity, and severity of ARDS at ICU admission were shown to be predictive of ICU survival. Patients’ age, pulmonary dysfunction and transfer from an external institution were predictors for ECMO therapy. The interaction of patient age with D-dimer levels on admission and creatinine levels with SOFA score without GCS were predictors for renal replacement therapy. Conclusions Using Explainable Boosting Machine analysis, we confirmed and weighed previously reported and identified novel predictors for outcome in critically ill COVID-19 patients. Using this strategy, predictive modeling of COVID-19 ICU patient outcomes can be performed overcoming the limitations of linear regression models. Trial registration “ClinicalTrials” (clinicaltrials.gov) under NCT04455451.

Optimal open-loop control, i.e. the application of an analytically derived control rule, is demonstrated for nanooptical excitations using polarization-shaped laser pulses. Optimal spatial near-field localization in gold nanoprisms and excitation switching is realized by applying a shift to the relative phase of the two polarization components. The achieved near-field switching confirms theoretical predictions, proves the applicability of predefined control rules in nanooptical light–matter interaction and reveals local mode interference to be an important control mechanism.

The semiconductor polariton laser promises a new source of coherent light, which, compared to conventional semiconductor photon lasers, has input-energy threshold orders of magnitude lower. However, intensity stability, a defining feature of a coherent state, has remained poor. Intensity noise many times the shot noise of a coherent state has persisted, attributed to multiple mechanisms that are difficult to separate in conventional polariton systems. The large intensity noise, in turn, limits the phase coherence. Thus, the capability of the polariton laser as a source of coherence light is limited. Here, we demonstrate a polariton laser with shot-noise-limited intensity stability, as expected from a fully coherent state. This stability is achieved by using an optical cavity with high mode selectivity to enforce single-mode lasing, suppress condensate depletion, and establish gain saturation. Moreover, the absence of spurious intensity fluctuations enables the measurement of a transition from exponential to Gaussian decay of the phase coherence of the polariton laser. It suggests large self-interaction energies in the polariton condensate, exceeding the laser bandwidth. Such strong interactions are unique to matter-wave lasers and important for nonlinear polariton devices. The results will guide future development of polariton lasers and nonlinear polariton devices.

The Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) theorem predicts that two-dimensional bosonic condensates exhibit quasi-long-range order which is characterized by a slow decay of the spatial coherence. However previous measurements on exciton-polariton condensates revealed that their spatial coherence can decay faster than allowed under the BKT theory, and different theoretical explanations have already been proposed. Through theoretical and experimental study of exciton-polariton condensates, we show that the fast decay of the coherence can be explained through the simultaneous presence of multiple modes in the condensate.

Dem Einsatz niederdimensionaler Nanostrukturen als optisch aktives Medium wird enormes Potential vorausgesagt sowohl in den klassischen optoelektronischen Bauteilen (wie z.B. Halbleiterlasern) als auch in optischen Bauteilen der näachsten Generation (z.B. Einzelphotonenquellen oder Quellen verschränkter Photonenpaare). Dennoch konnten sich quantenpunktbasierte Halbleiterlaser, abgesehen von einigen wenigen Ausnahmen (QDLaser inc.), im industriellen Maßstab bisher nicht gegen Bauelemente mit höherdimensionalen Quantenfilmen als optisch aktivem Element durchsetzen. Deshalb scheint der Einsatz von Quantenpunkten (QPen) in nichtklassischen Lichtquellen gegenwärtig vielversprechender. Um jedoch solche Bauteile bis zur letztendlichen Marktreife zu bringen, müssen neben der starken Unterdrückung von Multiphotonenemission noch wesentliche Grundvoraussetzungen erfüllt werden: In dieser Arbeit wurden grundlegende Studien durchgeführt, welche insbesondere dem Fortschritt und den Problemen der Effizienz, des elektrischen Betriebs und der Skalierbaren Herstellung der Photonenqullen dienen sollte. Zum Einen wurden hierfür elektrisch betriebene Einzelphotonenquellen basierend auf gekoppelten QP-Mikroresonatoren realisiert und de ren Bauteileffizienz gezielt optimiert, wobei konventionelle selbstorganisierte InAs-QPe als aktives Medium eingesetzt wurden. Für die skalierbare Integration einzelner QPe in Mikroresonatoren wurde des Weiteren das gesteuerte QP-Wachstum auf vorstrukturierten Substraten optimiert und auf diese Art ortskontrollierte QPe in Bauteile integriert. Für die Realisierung hocheffizienter, elektrisch gepumpter inzelphotonenquellen wurde zunächst das Wachstum von binären InAs-QPen im Stranski-Krastanov-Modus optimiert und deren optische Eigenschaften im Detail untersucht. Durch das Einbringen einer Schicht von Siliziumatomen nahe der QP-Schicht konnten die Emitter negativ geladen werden und der helle Trionenzustand der QPe als energetischer Eigenzustand des Systems zur effizienten Extraktion einzelner Photonen ausgenutzt werden. Durch die Integration dieser geladenen QPe in elektrisch kontaktierte, auf Braggspiegel basierte Mikrotürmchen konnten Einzelphotonenquellen realisiert werden, in denen gezielt Licht-Materie- Wechselwirkungseffekte zur Steigerung der Bauteileffizienz ausgenutzt wurden. Basierend auf theoretischen Überlegungen wurde die Schichtstruktur soweit optimiert, dass letztendlich experimentell eine elektrisch gepumpte Einzelphotonenquelle mit einer Photonenemissionsrate von 47 MHz sowie einer zuvor unerreichten Bauteileffizienz von 34 % im Regime der schwachen Licht-Materie-Kopplung demonstriert werden konnte. Da Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen QP und Resonator neben der spektralen Resonanz ebenfalls von der relativen Position von Resonator und QP zueinander abhängen, ist eine Kombination von positionierten QPen und Bauteilausrichtung nahezu unumg¨anglich für die skalierbare, deterministische Herstellung von Systemen aus perfekt angeordnetem Emitter und Resonator. Deshalb wurden bestehende Konzepte zum geordneten Wachstum von QPen weiterentwickelt: Hierbei wurde geordnetes InAs-QP-Wachstum mit Perioden realisiert, die vergleichbare Abmessungen wie optische Resonatoren aufweisen, also Nukleationsperioden zwischen 500 nm und 4 μm. Durch ein genaues Anpassen der Wachstums- und Prozessbedingungen konnte des Weiteren die Bildung von QP-Molekülen auf den Nukleationsplätzen nahezu unterdrückt beziehungsweise gesteuert werden. Durch eine systematische Optimierung der optischen Eigenschaften der QPe konnten Emitter mit Einzelquantenpunktlinienbreiten um 100 μeV realisiert werden, was eine Grundvoraussetzung zur Studie ausgeprägter Licht-Materie-Wechselwirkungseffekte in Mikroresonatoren darstellt. Letztendlich konnten durch die Integration derartiger QPe in optisch sowie elektrisch betriebene Mikroresonatoren erstmals Bauteile realisiert werden, welche einige der prinzipiellen, an eine Einzelphotonenquelle gestellten Anforderungen erfüllen. Insbesondere konnten deutliche Signaturen der schwachen Licht-Materie-Kopplung einzelner positionierter QPe in photonische Kristallresonatoren, Mikroscheibenresonatoren sowie Mikrotürmchenresonatoren festgestellt werden. Darüberhinaus konnte an einem spektral resonanten System aus einem positionierten QP und der Grundmode eines Mikrotürmchenresonators eindeutig Einzelphotonenemission unter optischer Anregung demonstriert werden. Ebenfalls konnten Mikrotürmchenresonatoren mit integrierten positionierten QPen erstmals elektrisch betrieben werden und somit die Grundvoraussetzung für eine der skalierbaren Herstellung effizienter Einzelphotonenquellen geschaffen werden.