Cette thèse porte sur l'étude de systèmes quantiques à N-corps à température nulle, où le comportement du système n'est alors soumis qu'aux effets quantiques. Je vais présenter ici une approche variationnelle développée avec Tommaso Roscilde, mon directeur de thèse, et Fabio Mezzacapo, mon co-encadrant de thèse, pour étudier ces systèmes.Cette approche se base sur une parametrisation de l’état quantique (dit Ansatz) à laquelle on applique une procédure d’optimisation variationnelle lui permettant de reproduire l'évolution d'un système soumis à l'équation de Schrödinger, tout en limitant le nombre de variables considérées. En considérant une évolution en temps imaginaire, il est possible d'étudier l'état fondamental d'un système. Je me suis ainsi intéressé à un modèle de chaîne XX de spins 1/2, dont les corrélations à longue portée rendent l'étude difficile, et adapté ainsi notre approche pour reproduire au mieux les corrélations et l'intrication du système. Je me suis ensuite intéressé au modèle J1-J2 dont la structure de signe non positive des coefficients de l’état quantique pose un défi important pour les approches Monte Carlo; et dans laquelle la frustration magnétique induit une transition de phase quantique (d’un état aux corrélations à longue porté vers un état non magnétique avec formation d’un cristal de lien de valence). Je me suis enfin intéressé à l'évolution temporelle d'un système à N-corps à partir d'un état non stationnaire. J'ai pu étudier la capacité de notre approche à reproduire la croissance linéaire de l’intrication dans le temps, ce qui est un obstacle fondamental pour les approches alternatives telles que le groupe de renormalisation de la matrice densité. / This thesis presents a study of quantum many-body systems at zero temperature, where the behavior of the system is purely driven by the quantum effects. I will introduce a variationnal approach developped with Tommaso Roscilde, my PhD supervisor, and Fabio Mezzacapo, my co-supervisor, in order to study these systems.This approach is based on a parametrisation of the quantum state (named Ansatz) on which we apply a variational optimisation, allowing us reproduce the system's evolution under Schrödinger's equation with a limited number of variables.By considering an imaginary-time evolution, it is possible to reconstruct the system's ground state. I focused on S=1/2 XX spin chain, where the long-range quantum correlations complicate a variational study; and I have specifically targeted our Ansatz in order to reproduce the correlations and the entanglement of the ground state. Moreover I considered the antiferromagnetic S=1/2 J1-J2 spin chain, where the non-trivial sign structure of the coefficients of the quantum state introduces an important challenge for the quantum Monte Carlo approach; and where the magnetic frustration induces a quantum phase transition (from a state with long range correlations to a non-magnetic state in the form of a valence-bond crystal).Finally I focused on the time evolution of a quantum many-body system starting from a non-stationary state. I studied the ability of our approach to reproduce the linear increase of the entanglement during time, which is a fondamental obstacle for other approaches such as the density-matrix renormalization group.

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich N=4 Super Yang-Mills Theorie (SYM) als vergleichsweise einfache wechselwirkende Quantenfeldtheorie etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass N=4 SYM im sogenannten planaren Limes eine integrable konforme Feldtheorie ist. Diese Erkenntnis wurde im Rahmen der Lösung des Spektralproblems gewonnen, das als die Diagonalisierung des Dilatationsoperators definiert ist. Dieser Operator ist der Teil der konformen Algebra, der Skalentransformationen erzeugt. In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, dass verwandte Theorien, die man kollektiv als stark getwistete N=4 SYM bezeichnet, tatsächlich einfacher wären. Wir untersuchen das Spektralproblem dieser Theorien und bestimmen die Eigenwerte des Dilatationsoperators. Dabei ist unsere Analyse auf Einschleifenordnung beschränkt. Wir leiten zunächst den Einschleifendilatationsoperator der stark getwisteten Modelle her. Bemerkenswerterweise ist der Dilatationsoperator nicht diagonalisierbar, da die stark getwisteten Theorien nicht unitär sind. Wir definieren den Begriff des eklektischen Feldinhalts von lokalen zusammengesetzten Operatoren. Eine endliche Potenz des Dilatationsoperators bildet die entsprechenden Operatoren mit eklektischem Feldinhalt auf null ab. Die Herleitung unterschiedlicher Bethe Ansätze wird präsentiert um die Eigenzustände des Dilatationsoperators zu finden. Wir stellen die Lösungen der Bethe Gleichungen vor, wobei wir Sektor für Sektor vorgehen. Wir konstruieren auch einige der auftretenden Jordan Blöcke. Des Weiteren diskutieren wir den Einfluss, den die Jordan Blöcke auf die Zweipunktfunktionen der Theorie haben. In einer nicht unitären Theorie ist die Klassifikation der lokal zusammengesetzten Operatoren in Primäroperatoren und Abkömmlinge nicht vollständig und eine dritte Art Operator, nämlich der logarithmische Operator, tritt auf. Die entsprechenden Zweipunktfunktionen enthalten Logarithmen. / Over the last two decades, N=4 Super Yang-Mills theory (SYM) has established a reputation of being the simplest interacting quantum field theory in four dimensions. In the so-called planar limit, N=4 SYM turned out to be an integrable conformal field theory. Integrability was first found when solving the spectral problem, which is defined as diagonalising the dilatation operator. The latter is the part of the conformal algebra generating scaling transformations. Its eigenvalues are the anomalous dimensions. More recently, it was proposed that a certain non-unitary deformation of N=4 SYM, the so-called strongly-twisted theories, are actually simpler. We investigate the spectral problem of these theories at one-loop order. We derive the one-loop dilatation operator of the strongly-twisted models and express it in terms of the one of the untwisted theory. Notably, since the strongly-twisted theories are non-unitary, the dilatation operator turns out to be non-diagonalisable. We define the notion of eclectic field content of local composite operators. A finite number of applications of the dilatation operator annihilates these local composite operators with eclectic field content. A derivation of several different Bethe ansätze to find eigenstates of the dilatation operator is presented. Furthermore, we also propose a short-cut to derive the Bethe equations from those of the unscaled models. We present solutions to the Bethe equations sector by sector, derive the Jordan blocks of the dilatation operator and show their impact on the two-point correlation functions of the theory. The classification of local composite operators into primaries and descendants is no longer complete in a non-unitary theory and a third type of operator, named a logarithmic operator, appears. The corresponding two-point functions contain logarithms.

The potential impact of quantum computing has stimulated a worldwide effort to develop the necessary experimental and theoretical resources. In the race for the quantum computer, several candidate systems have emerged, but the ultimate system is still unclear. We study theoretically how to realize atomic Fock states both for fermionic and bosonic atoms, mainly in one-dimensional optical traps. We demonstrate a new approach of quantum computing based on ultracold fermionic atomic Fock states in optical traps. With the Pauli exclusion principle, producing fermionic atomic Fock states in optical traps is straightforward. We find that laser culling of fermionic atoms in optical traps can produce a scalable number of ultra-high fidelity qubits. We show how each qubit can be independently prepared, and how to perform the required entanglement operations and detect the qubit states with spatially resolved, single-atom detection with adiabatic trap-splitting and fluorescence imaging. On the other hand, bosonic atoms have a strong tendency to stay together. One must rely on strong repulsive interactions to produce bosonic atomic Fock states. To simulate the physical conditions of producing Fock states with ultracold bosonic atoms, we study a many-boson system with arbitrary interaction strength using the Bethe ansatz method. This approach provides a general framework, enabling the study of Fock state production over a wide range of realistic experimental parameters. / text

We study the totally asymmetric exclusion process on the positive integers with a single particle source at the origin. Liggett (1975) has shown that the long term behaviour of this process has a phase transition: If the particle production rate at the source and the initial density are below certain critical values, the stationary measure is a product measure, otherwise the stationary measure is spatially correlated. Following the approach of Derrida et al. (1993) it was shown by Grosskinsky (2004) that these correlations can be described by means of a matrix product representation. In this thesis we derive a large deviation principle with explicit rate function for the particle density in a macroscopic box based on this representation. The novel and rigorous technique we develop for this problem combines spectral theoretical and combinatorial ideas and has the potential to be applicable to other models described by matrix products.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de la théorie des systèmes intégrables avec bords et le développement des structures algébriques associées. D'une part, nous nous attaquons au problème de la diagonalisation de l'hamiltonien du modèle XXZ avec bords non diagonaux. Nous exhibons les deux ensembles d'états propres et valeurs propres du modèle si les paramètres de bords satisfont deux conditions. D'autre part, nous introduisons un modèle de physique statistique que nous appelons le modèle face avec un bord réfléchissant. Nous calculons exactement sa fonction de partition et nous montrons que cette dernière se représente simplement sous la forme d'un unique déterminant matriciel. Nous montrons que ces deux problèmes sont reliés par la transformation vertex-face et exhibent une structure algébrique commune, l'algèbre de réflexion dynamique. Nous nous intéressons aux aspects mathématiques de cette algèbre dans le cas elliptique général, et nous introduisons deux classes de ces représentations, la représentation de co-module d'évaluation et sa duale. Nous pensons que cette algèbre est la structure clef pour l'analyse des modèles faces avec bords. En particulier, nous montrons à l'aide de twists de Drinfel'd que leur fonction de partition se représente simplement dans le cas général.

Dans cette thèse, nous discuterons des systèmes intégrables quantiques et des chaînes de spins. Nous présenterons la notion d'intégrabilité quantique ainsi que des structures mathématiques, les groupes quantiques, reliées à cette dernière. Cela nous permettra d'introduire les chaînes de spins " universelles " étudiées par le groupe d'Annecy depuis plusieurs années. Ces chaînes " universelles " ont la particularité d'englober l'ensemble des chaînes de spins préalablement étudiées dans la littérature. La question posée pour cette thèse était d'utiliser l'ansatz de Bethe algébrique pour déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de ces chaînes de spins " universelles ". Nous discuterons donc cette méthode pour les chaînes de spins périodiques et avec bords. Cette étude mettra en évidence les limites de l'ansatz de Bethe algébrique pour certaines chaînes avec bords et nous présenterons un nouveau cadre mathématique qui permettrait d'obtenir le spectre dans ces cas. Nous discuterons aussi le problème du produit scalaire des vecteurs propres obtenus grâce à l'ansatz de Bethe algébrique.

Cette thèse est consacrée à l'étude du modèle de Hubbard unidimensionnel et à ses généralisa- tions. Le modèle de Hubbard est un modèle fondamental de la physique de la matière condensée, décrivant des électrons en interaction sur un réseau. Il a une très riche structure physique. Malgré la simplicité de sa construction, le modèle a été appliqué dans différents problèmes comme la supra- conductivité à haute température, le magnétisme et la transition métal-isolant. A une dimension, le modèle de Hubbard est un modèle intégrable très étudié qui a servi de 'laboratoire' pour la physique de la matière condensée. Récemment, les systèmes intégrables quantiques d'une facon générale, et le modèle de Hubbard en particulier, sont apparus d'une manière surprenante dans le contexte de la correspondance AdS/CFT. Le point de contact entre ces domaines est les équations de Bethe : celles de nouveaux modèles intégrables et de modèles existants généralisés sont à priori significatifs dans l'application en dualité AdS/CFT. Dans la premiere partie de la thèse, les notions de base sur l'intégrabilité quantique sont présen- tées : formalisme de la matrice R, équation de Yang-Baxter, chaînes de spin intégrables. Dans la deuxième partie, certaines résultats fondamentaux concernant le modèle de Hubbard sont passés en revue : la solution par l'Ansatz de Bethe coordonnée, les solutions réelles des équations de Lieb-Wu etc. De plus, l'application dans la correspondance AdS/CFT est considérée. Cependant, on trouve que certaines modifications du modèle de Hubbard sont nécessaires pour reproduire les résultats de cette correspondance. Cela est une des motivations principales d'étude de modèles de Hubbard généralisés. La quatrième partie est consacrée aux généralisations du modèle de Hubbard, en se con- centrant sur les cas supersymétriques. La chapitre cinq expose les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse sur les modèles de Hubbard généralisés, en particulier, l'Ansatz de Bethe coordonnée ainsi que les solutions réelles des équations de Bethe obtenues dans la limite thermodynamique. Les équations de Bethe obtenues sont différentes de celle de Lieb et Wu par des phases dont la manifesta- tion est un signe encourageant pour l'application en AdS/CFT contexte. Les applications possibles, notamment dans le domaine de la physique de la matière condensée, sont également considérées.

<p>This thesis is divided into two parts. In the first part we focus mainly on certain aspects of the AdS/CFT correspondence. The AdS/CFT correspondence is a proposed duality between Type IIB superstring theory on AdS₅ xS⁵ and N = 4 supersymmetric Yang-Mills theory. In the BMN limit string states located in the center of AdS₅ rotate quickly around the equator of the S⁵ and correspond, in the dual theory, to operators constructed as long chains of sub-operators. This structure of the operators can be formulated as a spin chain and by using the Bethe ansatz their properties can be obtained by solving a set of Bethe equations. Having infinitely many sub-operators, there are methods for solving the Bethe equations in certain sectors. In paper III finite size corrections to the anomalous dimensions in the SU(2) sector are calculated to leading order.</p><p>Inspired by the chain structure of the corresponding operators, the theory of string bits treats the strings as a discrete sets of points. This theory suffers from the problem of fermion doubling, a general pathology of fermions on a lattice. In paper II we show how to adjust the theory in order to avoid this problem and, in fact, use the fermion doubling to our advantage. The second part of the thesis studies the low energy behaviour of SU(2) Yang-Mills theory in 4 space-time dimensions. In paper I we perform numerical calculations on an effective action for this theory. We propose the existence of a knotted trajectory within the dynamics of this effective action.</p>

This thesis is divided into two parts. In the first part we focus mainly on certain aspects of the AdS/CFT correspondence. The AdS/CFT correspondence is a proposed duality between Type IIB superstring theory on AdS5 x S5 and N = 4 supersymmetric Yang-Mills theory. In the BMN limit string states located in the center of AdS5 rotate quickly around the equator of the S5 and correspond, in the dual theory, to operators constructed as long chains of sub-operators. This structure of the operators can be formulated as a spin chain and by using the Bethe ansatz their properties can be obtained by solving a set of Bethe equations. Having infinitely many sub-operators, there are methods for solving the Bethe equations in certain sectors. In paper III finite size corrections to the anomalous dimensions in the SU(2) sector are calculated to leading order. Inspired by the chain structure of the corresponding operators, the theory of string bits treats the strings as a discrete sets of points. This theory suffers from the problem of fermion doubling, a general pathology of fermions on a lattice. In paper II we show how to adjust the theory in order to avoid this problem and, in fact, use the fermion doubling to our advantage. The second part of the thesis studies the low energy behaviour of SU(2) Yang-Mills theory in 4 space-time dimensions. In paper I we perform numerical calculations on an effective action for this theory. We propose the existence of a knotted trajectory within the dynamics of this effective action.

No description available.