La 1re partie de cette thèse présente une étude de la géométrie de surfaces rugueuses obtenues en laboratoire par fracturation de blocs de granite et de grès. Ces surfaces sont enregistrées à l'aide d'un rugosimètre à mesure mécanique et optique, développé pour cet usage. Les enregistrements sont bien décrits par un modèle auto-affine isotrope. La persistance des corrélations spatiales est sensiblement moins importante pour le grès que pour le granite. Dans un 2e partie, on étudie comment l'écoulement à travers une fracture ouverte est influencé par la rugosité de ses parois, lorsque les effets inertiels peuvent être négligés. Une étude expérimentale met en évidence une sensibilité importante de la perméabilité de la fracture vis-à-vis de l'orientation du gradient de pression effectif. Un modèle numérique confirme ces observations, et permet d'interpréter cette anisotropie hydraulique en termes de chenalisation de l'écoulement. La chenalisation est contrôlée par les hétérogénéités de grande échelle du champ des ouvertures, dont l'importance dépend grandement de l'ajustement entre les deux surfaces aux grandes échelles. Dans une 3e partie, une fracture remplie de gouge est modélisée comme un milieu poreux bidimensionnel composé d'une mono-couche de billes de verre. On étudie expérimentalement le déplacement d'un fluide mouillant par de l'air, de haut en bas, dans ce milieu. En ajustant la vitesse de filtration, c.-à-d. l'intensité des forces visqueuses, on étudie systématiquement la transition d'un régime d'écoulement stabilisé par la gravité, vers un régime d'écoulement où la rugosité de l'interface entre les deux fluides croît indéfiniment. Les effets capillaires, inhomogènes dans le milieu poreux, pilotent la dynamique locale du déplacement. En utilisant la théorie de la percolation, on prédit le seuil de l'instabilité et une loi d'échelle pour la largeur du front en déplacement stable. Ces prédictions sont vérifiées expérimentalement.

Il est possible de concevoir un enseignement de la physique qui incorpore l'histoire de la physique sur un mode qui n'est ni anecdotique, ni autonome et qui peut être décliné à différents niveaux de la formation, des élèves de lycée aux enseignants à l'université. L'introduction du manuscrit porte sur une mise en perspective de la démarche proposée avec des recherches antérieures. Le manuscrit est composé de quatre parties. Dans la partie I, après avoir rappelé les objectifs qui ont prévalu à la réalisation du cédérom « Histoire des idées sur la lumière - de l'Antiquité au début du XXe siècle », qui aborde la lumière à travers une approche historique, expérimentale et philosophique, je propose une utilisation de ce cédérom pour l'enseignement de la diffraction par une approche historique (la disparition des franges intérieures dans l'ombre d'un fil). Dans la partie II, je précise l'enjeu que constitue l'utilisation de la figure géométrique de Newton (1684), accompagnée des coordonnées polaires et des vecteurs, pour mettre à la portée d'un large public l'un des grands succès de la pensée scientifique : la détermination des trajectoires elliptiques des planètes (sans utilisation du calcul différentiel). Dans cette partie, je reviens également sur le modèle d'équant de Kepler, souvent assimilé à un échec, alors qu'il peut ouvrir la voie, dans le cadre de la formation des enseignants, à une discussion renouvelée des dynamiques aristotélicienne et newtonienne. La partie III est une analyse historique de "La Dynamique de l'électron" de Henri Poincaré. Après avoir rappelé le point de vue général de Poincaré sur les sciences et leur enseignement, et avoir situé son travail dans la lignée de Lorentz et des connaissances des géomètres, je reviens sur quatre clés que nous avons proposées (avec Jean-Pierre Provost) pour comprendre la logique du Mémoire : l'utilisation de transformations de Lorentz actives, le rôle de l'action et de son invariance, l'origine de la condition de groupe pour éliminer les dilatations (à travers les lettres à Lorentz de mai 1905) et le rôle des modèles d'électron comme théorème d'existence de la nouvelle dynamique. Dans la quatrième et dernière partie, je donne un historique des travaux de Planck et d'Einstein sur les quanta, afin de comparer leurs approches (étude des dépendances énergétique ou volumique de l'entropie du corps noir) et de les replacer dans une perspective moderne où la notion de mode quantique est la notion fondamentale. Je reviens ensuite sur deux questions naturelles que posent les quanta d'Einstein de mars 1905 pour des étudiants abordant la relativité et le quantique : leur vitesse (à laquelle répond le second postulat de la relativité) et leur indépendance (assujettie au retour à loi de Wien de 1896).

La géométrie fractale, développée par Mandelbrot dans les années 70, a connu un essor considérable ces 20 dernières années. Dans cette thèse, je m'intéresse à la génération de signaux dits fractals et multifractals. J'étudie en particulier 2 modèles, dont leur point commun est leur structure d'arbre de branchement sous jacente.<br />Le premier modèle est une généralisation des Systèmes de fonctions Itérés ou IFS, introduits par Hutchinson dans les années 80. Les IFS constituent un moyen simple et efficace pour produire des ensembles et des processus fractals en itérant un nombre fixed d'opérateurs. L'idée est d'autoriser un nombre aléatoire d'opérateurs aléatoires à chaque itération de l'algorithme. Nous donnons des conditions simples et faciles à vérifier sous lesquelles l'IFS admet un point fixe. Quelques propriétés du point fixe sont également étudiées. Le deuxième modèle, que nous appellons Multifractal Embedded Branching Process (MEBP), s'obtient à l'aide d'un changement de temps multifractal d'un processus à invariance d'échelle discrète, le processus EBP Canonique (CEBP). Nous donnons un algorithm efficace de simulation "on-line" de ces processus, permettant de générer X(n + 1) à partir de X(n) en O(log n) opérations. Nous obtenons également un borne supérieure pour le spectre multifractal du changement de temps et confirmons les résultats théoriques à l'aide de simulations. Les mouvements Browniens en temps multifractal sont des cas particuliers des processus MEBP, ce qui suggère une application potentielle des processus MEBP en finance. Enfin, nous proposons d'imiter un mouvement Brownien fractionnaire à l'aide d'un processus MEBP.

Cette thèse se place dans le domaine de la modélisation et de la reconnaissance d'objets par leur apparence. Chaque objet est modélisé par une collection d'images et la reconnaissance est obtenue par l'appariement d'une nouvelle image avec une image modèle. Les images sont modélisées par des mesures sur des caractéristiques locales. Plusieurs bases de descripteurs locaux sont évaluées théoriquement et expérimentalement et la base des dérivées de Gaussiennes est sélectionnée pour ses propriétés de discriminabilité avec une description très concise et son paramétrage en orientation et en échelle. Une invariance à l'orientation de la caméra par rapport à l'objet est obtenue par un calage des dérivées sur la direction du gradient et une invariance à l'échelle est obtenue par une technique novatrice qui consiste à sélectionner en chaque point une échelle caractéristique pour décrire son voisinage. Cette échelle caractéristique correspond au maximum en échelle d'un opérateur Laplacien. Ces invariances sont validées par des expérimentations systématiques. Dans notre système, une image est décomposée en une grille de fenêtres recouvrantes puis représentée par une grille de descripteurs locaux calculés sur ces fenêtres. Cette représentation très redondante nous a permis de définir deux stratégies de reconnaissance robustes~: l'une fondée sur un vote et l'autre fondée sur une stratégie par prédiction--vérification qui consiste à découper la reconnaissance en une phase de génération d'hypothèses d'appariement pour une fenêtre suivi d'une phase de vérification de ces hypothèses sur les fenêtres voisines en incluant des contraintes de cohérence spatiale à cette vérification.

<p>Pictorial cues, together with motion and stereoscopic depth fields, can be used for perception and constitute ‘three kinds’ of vision. Edges in images are important features and can be created in either of these attributes. Are local edge and global shape detection processes attribute-specific? Three visual phenomena, believed to be due to low-level visual processes, were used as probes to address these issues. (1) Tilt illusions (misperceived orientation of a bar caused by an inducing grating) were used to investigate possible binding of edges across attributes. Double dissociation of tilt repulsion illusions (obtained with small orientation differences between inducer and bar) and attraction illusions (obtained with large orientation differences) suggest different mechanisms for their origins. Repulsion effects are believed to be due to processes in striate cortex and attraction because of higher level processing. The double dissociation was reproduced irrespective of the attributes used to create the inducing grating and the test-bar, suggesting that the detection and binding of edges across attributes take place in striate cortex. (2) Luminance-based illusory contour perception is another phenomenon believed to be mediated by processes in early visual cortical areas. Illusory contours can be cued by other attributes as well. Detection facilitation of a near-threshold luminous line occurred when it was superimposed on illusory contours irrespective of the attributes used as inducers. The result suggests attribute-independent activation of edge detectors, responding to real as well as illusory contours. (3) The performance in detecting snake-like shapes composed of aligned oriented elements embedded in randomly oriented noise elements was similar irrespective of the attributes used to create the elements. Performance when the attributes alternated along the path was superior to that predicted with an independent channel model. These results are discussed in terms of binding across attributes by feed-forward activation of orientation selective attribute-invariant cells (conjunction cells) in early stages of processing and contextual modulation and binding across visual space mediated by lateral and/or feedback signals from higher areas (dynamic binding).</p>

Les propriétés physiques d'un système de particules homogène à l'équilibre thermodynamique sont caractérisées par son équation d'état : une relation entre différentes grandeurs thermodynamiques. Le gaz de Bose bi-dimensionnel est un système particulier de ce point de vue car son équation d'état est invariante par changement d'échelle en présence d'interactions atomiques répulsives faibles. Une autre caractéristique remarquable du gaz de Bose 2D est l'existence d'une transition de phase vers un état superfluide à basse température. Dans ce manuscrit de thèse, je présente une mesure de l'équation d'état du gaz de Bose homogène pour trois grandeurs thermodynamiques : la pression réduite, la densité dans l'espace des phases et l'entropie par particule. Je présente également une mesure de l'énergie d'interaction d'un gaz 2D piégé dans un potentiel harmonique. Cette mesure a permis de mettre en évidence l'existence d'une phase précédant la phase superfluide où les fluctuations de densité sont fortement réduites. Cette phase constitue une étape essentielle dans l'établissement de la transition superfluide. Enfin, je décris l'observation de signatures de vortex dans des gaz de Bose 2D. Ces vortex constituent l'ingrédient clé du mécanisme microscopique de la transition superfluide à deux dimensions.

Pictorial cues, together with motion and stereoscopic depth fields, can be used for perception and constitute ‘three kinds’ of vision. Edges in images are important features and can be created in either of these attributes. Are local edge and global shape detection processes attribute-specific? Three visual phenomena, believed to be due to low-level visual processes, were used as probes to address these issues. (1) Tilt illusions (misperceived orientation of a bar caused by an inducing grating) were used to investigate possible binding of edges across attributes. Double dissociation of tilt repulsion illusions (obtained with small orientation differences between inducer and bar) and attraction illusions (obtained with large orientation differences) suggest different mechanisms for their origins. Repulsion effects are believed to be due to processes in striate cortex and attraction because of higher level processing. The double dissociation was reproduced irrespective of the attributes used to create the inducing grating and the test-bar, suggesting that the detection and binding of edges across attributes take place in striate cortex. (2) Luminance-based illusory contour perception is another phenomenon believed to be mediated by processes in early visual cortical areas. Illusory contours can be cued by other attributes as well. Detection facilitation of a near-threshold luminous line occurred when it was superimposed on illusory contours irrespective of the attributes used as inducers. The result suggests attribute-independent activation of edge detectors, responding to real as well as illusory contours. (3) The performance in detecting snake-like shapes composed of aligned oriented elements embedded in randomly oriented noise elements was similar irrespective of the attributes used to create the elements. Performance when the attributes alternated along the path was superior to that predicted with an independent channel model. These results are discussed in terms of binding across attributes by feed-forward activation of orientation selective attribute-invariant cells (conjunction cells) in early stages of processing and contextual modulation and binding across visual space mediated by lateral and/or feedback signals from higher areas (dynamic binding).

Transmitting quantum information across quantum channels is an important task. However quantum information is delicate, and is easily corrupted. We address the task of protecting quantum information from an information theoretic perspective -- we encode some message qudits into a quantum code, send the encoded quantum information across the noisy quantum channel, then recover the message qudits by decoding. In this dissertation, we discuss the coding problem from several perspectives.} The noisy quantum channel is one of the central aspects of the quantum coding problem, and hence quantifying the noisy quantum channel from the physical model is an important problem. We work with an explicit physical model -- a pair of initially decoupled quantum harmonic oscillators interacting with a spring-like coupling, where the bath oscillator is initially in a thermal-like state. In particular, we treat the completely positive and trace preserving map on the system as a quantum channel, and study the truncation of the channel by truncating its Kraus set. We thereby derive the matrix elements of the Choi-Jamiolkowski operator of the corresponding truncated channel, which are truncated transition amplitudes. Finally, we give a computable approximation for these truncated transition amplitudes with explicit error bounds, and perform a case study of the oscillators in the off-resonant and weakly-coupled regime numerically. In the context of truncated noisy channels, we revisit the notion of approximate error correction of finite dimension codes. We derive a computationally simple lower bound on the worst case entanglement fidelity of a quantum code, when the truncated recovery map of Leung et. al. is rescaled. As an application, we apply our bound to construct a family of multi-error correcting amplitude damping codes that are permutation-invariant. This demonstrates an explicit example where the specific structure of the noisy channel allows code design out of the stabilizer formalism via purely algebraic means. We study lower bounds on the quantum capacity of adversarial channels, where we restrict the selection of quantum codes to the set of concatenated quantum codes. The adversarial channel is a quantum channel where an adversary corrupts a fixed fraction of qudits sent across a quantum channel in the most malicious way possible. The best known rates of communicating over adversarial channels are given by the quantum Gilbert-Varshamov (GV) bound, that is known to be attainable with random quantum codes. We generalize the classical result of Thommesen to the quantum case, thereby demonstrating the existence of concatenated quantum codes that can asymptotically attain the quantum GV bound. The outer codes are quantum generalized Reed-Solomon codes, and the inner codes are random independently chosen stabilizer codes, where the rates of the inner and outer codes lie in a specified feasible region. We next study upper bounds on the quantum capacity of some low dimension quantum channels. The quantum capacity of a quantum channel is the maximum rate at which quantum information can be transmitted reliably across it, given arbitrarily many uses of it. While it is known that random quantum codes can be used to attain the quantum capacity, the quantum capacity of many classes of channels is undetermined, even for channels of low input and output dimension. For example, depolarizing channels are important quantum channels, but do not have tight numerical bounds. We obtain upper bounds on the quantum capacity of some unital and non-unital channels -- two-qubit Pauli channels, two-qubit depolarizing channels, two-qubit locally symmetric channels, shifted qubit depolarizing channels, and shifted two-qubit Pauli channels -- using the coherent information of some degradable channels. We use the notion of twirling quantum channels, and Smith and Smolin's method of constructing degradable extensions of quantum channels extensively. The degradable channels we introduce, study and use are two-qubit amplitude damping channels. Exploiting the notion of covariant quantum channels, we give sufficient conditions for the quantum capacity of a degradable channel to be the optimal value of a concave program with linear constraints, and show that our two-qubit degradable amplitude damping channels have this property.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement à longue distance des membranes polymérisées en utilisant une approche de groupe de renormalization non-perturbative (NPRG). Après une présentation du NPRG, nous introduisons les membranes. Dans notre travail, nous nous concentrons sur différents types de membranes polymérisées: homogène, anisotrope et avec du désordre gelé́. De plus, nous avons aussi étudié les points de Lifshitz dans les systèmes magnétiques. Nos résultats, aussi bien pour les membranes que pour Lifshitz, se comparent bien aux résultats perturbatifs dans les différents cas limites: couplages faibles, basse température et large-d (ou large-n pour Lifshitz). Mais, en utilisant le NPRG, nous pouvons aller au de-là̀ de ces cas limites et atteindre les cas qui sont physiquement intéressants. La question de l'ordre de la transition entre la phase froissé et la phase plate dans les membranes homogènes est depuis longtemps sans une réponse définitive. Malgré̀ que nos résultats ne permettent pas encore de lever cette question, ils semblent indiquer que la transition est du premier ordre en accord avec des simulations récentes. Une propriété́ importante des membranes polymérisées est l'existence d'une phase plate à basse température avec un comportement non-trivial. Cette phase décrit correctement le comportement du graphène malgré̀ que les dégrées de liberté́ électroniques ne soient pas pris en compte

The main interest of the present thesis is the constrained control of time-delay system, more specifically taking into consideration the discretization problem (due to, for example, a communication network) and the presence of constraints in the system's trajectories and control inputs. The effects of data-sampling and modeling problem are studied in detail, where an uncertainty is added into the system due to additional effect of the discretization and delay. The delay variation with respect to the sampling instants is characterized by a polytopic supra-approximation of the discretization/delay induced uncertainty. Some stabilizing techniques, based on Lyapunov's theory, are then derived for the unconstrained case. Lyapunov-Krasovskii candidates were also used to obtain LMI conditions for a state feedback, in the ''original" state-space of the system. For the constrained control purposes, the set invariance theory is used intensively, in order to obtain a region where the system is ''well-behaviored", despite the presence of constraints and (time-varying) delay. Due to the high complexity of the maximal delayed state admissible set obtained in the augmented state-space approach, in the present manuscript we proposed the concept of set invariance in the ''original" state-space of the system, called D-invariance. Finally, in the las part of the thesis, the MPC scheme is presented, in order to take into account the constraints and the optimality of the control solution.