Over the last few years, the GRAPE algorithm has become of central importance in the development of general purpose control sequences for several branches of Nuclear Magnetic Resonance. In this thesis, the application of the GRAPE algorithm to quantum information processing tasks is considered. First the theory underlying the algorithm is reviewed in detail, then a number of extensions and improvements to the core technique are developed. An implementation of the GRAPE algorithm using GPUs is presented and compared with a standard CPU based implementation. A variety of experimental results are presented covering many different aspects of the practical use of GRAPE. This includes an evaluation of some of the errors that can affect the performance of GRAPE sequences in real experiments, and their relative importance. The strengths and weaknesses of GRAPE compared to the other possible techniques are assessed, and some suggestions made regarding potential developments in this direction. Pseudo-pure states are a crucial component of any NMR based quantum computer, but many current methods for preparing them sacrifice purity in exchange for simplicity in the preparation sequence. This thesis also presents a new method for robustly generating pseudo-pure states with the maximum possible purity.

Actuellement, une voie de développement de formulations médicamenteuses novatrices passe par la vectorisation de principes actifs connus dans des nanoparticules. Des matériaux hybrides sont ainsi formés, possédant de nouvelles propriétés liées au nano-confinement. Les travaux ici menés s’appuient sur la sensibilité de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du solide aux phénomènes prenant place aux échelles moléculaires, pour effectuer une analyse structurelle et dynamique de deux vecteurs. Le premier, hydrophile, est une matrice nanoporeuse de silice sol-gel, dans laquelle sont confinés des complexes de nitroprussiate de sodium isolés. À partir de mesures de relaxation de spin et d’anisotropie de déplacement chimique, différents régimes de dynamique moléculaire sont mis en évidence. Ils sont modulés par la présence de molécules de solvant résiduelles (H2O). Des gammes de température et d’hydratation sont identifiées, pour lesquelles le complexe reste associé malgré un état ‘‘pseudo-liquide’’. Dans la condition limite d’absence d’eau, la restriction du mouvement des complexes confinés est élucidée en caractérisant les interactions dipolaires hôtes / invités. Le second système allie la double vectorisation de la curcumine hydrophobe dans des nanoparticules de lipides solides encapsulées dans une matrice de silice (SBA-15). Une stratégie d’étude conjointe par RMN du solide et par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est mise en place. Les résultats montrent que d’autres facteurs que la compartimentalisation (polymorphisme, dynamique moléculaire des composés hôtes) doivent également être pris en compte pour la compréhension des propriétés de ces matériaux très hétérogènes. Malgré le recours à une instrumentation RMN de dernière génération (spectromètre 1GHz, sonde MAS 1.3mm), la présence de principe actif est observée uniquement dans les compartiments de tensioactif. Ces résultats permettent d’émettre de nouvelles hypothèses sur la distribution du principe actif, tout en montrant les limites de l’approche RMN basée uniquement sur l’étude des noyaux 1H. / Nowadays, a way of developing novel medicinal compounds focuses on confinement of known active molecules inside nanoparticles. Therefore, hybrid materials emerge, exhibiting new properties related to nano-confinement. This work relies on the sensibility of solid-state Nuclear Magnetic Resonance (SS-NMR) towards molecular scale phenomena in order to perform structural and dynamical analysis of two delivery systems. They are modulated by the influence of residual solvent molecules (H2O). Temperature and hydration ranges are identified, for which the complex stays associated, although it is in a liquid-like state. Toward the limit of water absence, movement restrictions of the confined complexes are elucidated by characterizing dipolar host / guest interactions. The second system combines a double vectorization of hydrophobic curcumin molecules inside solid lipid nanoparticles, encapsulated inside a silica matrix (SBA-15). A joint SS-NMR and Differential Scanning Calorimetry (DSC) characterization strategy is put in place. The results show that other factors than compartmentalization (polymorphism, molecular dynamics of host compounds) should also be taken into account to understand the properties of these very heterogeneous materials. Despite resorting to the latest NMR instrumentation (1GHz spectrometer, 1.3mm MAS probehead), presence of the active ingredient is only detected inside the surfactant compartment. These results allow making new assumptions for the distribution of curcumin inside the material while showing the limits of an NMR approach relying solely on the study of 1H nuclei.

La Résonance Quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une technique spectroscopique appliquée à l’état solide et qui ne nécessite aucun champ magnétique statique contrairement à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Elle permet de détecter, les molécules qui contiennent un noyau quadrupolaire (tel que l'azote-14). La RQN de l’azote-14 suscite un intérêt particulier car elle s'avère utile dans la détection de drogues et d’explosifs, qui contiennent, pour la plupart, des molécules azotées. Cette thèse porte en premier lieu sur l’amélioration de la qualité spectrale en résonance quadrupolaire (RQN) de l’azote-14. Ainsi, nous nous sommes préoccupés des signaux transitoires (ringing) qui suivent l’impulsion radiofréquence (rf) et qui masquent en partie le signal RQN. Nous avons d’abord montré, par une étude théorique et expérimentale, que les mesures à basse puissance (< 3Watts) étaient possibles, ce qui nous a permis de diminuer l’amplitude du ringing. De plus, grâce à ce mode de fonctionnement (basse puissance), nous avons pu proposer un circuit original de commutation du facteur de qualité (Q-switch) basé sur un commutateur rf CMOS et qui a permis de diminuer la durée du ringing. La seconde partie traite de l’influence d’un champ magnétique statique faible amplitude et des divers paramètres expérimentaux en RQN de l’azote-14. Dans le cas où le tenseur de gradient de champ électrique est de symétrie axiale, nous avons observé des élargissements, voire des doublets Zeeman. En revanche, dans le cas général (absence de symetrie), nous avons mis en évidence la possibilité définir le tenseur de gradient de champ électrique à partir de la forme de raie d’une seule transition au lieu de deux transitions (sans champ magnétique statique). Ce dernier résultat pourrait permettre de diminuer de moitié le temps nécessaire à la caractérisation d’une nouvelle molécule azotée. / Nuclear quadrupole resonance (NQR) is a solid-state spectroscopic technique which doesn't require a static magnetic field in contrast to Nuclear Magnetic Resonance (NMR). It is used to detect molecules containing quadrupole nuclei (such as nitrogen-14). Nitrogen-14 quadrupole resonance is of particular interest because it is useful in the detection of drugs and explosives, which contain mostly of nitrogen molecules. In this thesis we have primarily focused on improving the spectral quality in nitrogen-14 quadrupole resonance (NQR) . Thus, we were concerned with the transient signals ( ringing ) following the radiofrequency (rf) pulse and which partly overwhelm the NQR signal. First, we demonstrated by theoretical and experimental study that low power measurements (< 3Watts ) were possible, allowing us to reduce the ringing amplitude. In addition, through this mode ( low power ), we have proposed an original quality factor switching circuit (Q -switch ) based on rf CMOS switch and which has reduced the ringing duration. The second part deals with the effect of a weak static magnetic field and various experimental parameters in nitrogen-14 quadrupole resonance. In the case of an axially symmetric electric field gradient tensor, we observed broadening or Zeeman doublets. By contrast, in the general case (no symmetry), we demonstrated the possibility to define the electric field gradient tensor from the line shape of a single transition instead of two transitions ( without static magnetic field ). This result reduces by half the time required for the characterization of a new nitrogen molecule.