Le but de cette thèse a été de mettre en évidence notre capacité à utiliser des boîtes quantiques semi-conductrices comme support à la réalisation de bits quantiques, briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de définir un système à deux niveaux, dont l'initialisation et le contrôle est réalisable au moyen d'impulsions lumineuses picosecondes et déterminé le temps durant lequel nous étions en mesure de conserver sa cohérence. Les oscillations de Rabi entre niveau fondamental et niveau excité permettent d'initialiser le système dans une superposition cohérente pouvant être ensuite manipulée par une deuxième impulsion au cours d'expériences de contrôle cohérent. Le temps de cohérence T2 du système n'est pas seulement limité par la durée de vie radiative T1 et reste très inférieur à la valeur théorique T2= 2T1. Les différents mécanismes de décohérence entrant en jeu ont dès lors été étudiés, en particulier le rôle des phonons acoustiques, responsables d'un fort amortissement des oscillations de Rabi et d'une diminution du temps de cohérence pour une partie des boîtes quantiques étudiées. Nous avons cependant dans certains cas mis en évidence la présence de mécanismes supplémentaires, liés aux fluctuations de l'environnement électrostatique des boîtes. Par ailleurs, une étude poussée de la polarisation de la luminescence émise par ces boîtes, dont la croissance a été réalisée en régime Stranski-Krastanov, a révélé une inclinaison des états propres de la structure fine de l'exciton, ainsi qu'une modification de leur intensité d'émission, témoignant d'un fort mélange des états lourds et légers de la bande de valence

Ce travail de thèse est centré autour de deux aspects des technologies quantiques: le calcul quantique et la mesure quantique. Il s'appuie sur la boîte à outils de la lumière micro-onde, développé en électrodynamique quantique, pour sonder des circuits mésoscopiques. Ces circuits, fabriqués ici à base de nanotubes de carbone, peuvent être conçus comme des bits quantiques ou comme des systèmes modèles de la matière condensée, et cette thèse explore les deux aspects. La réalisation d'une interface spin-photon cohérente illustre le premier. L'expérience repose sur l'utilisation de contacts ferro-magnétiques pour induire un couplage spin-orbit artificiel dans une double boîte quantique. Ce couplage hybride les degrés de liberté de charge et de spin de l'électron. En incluant ce circuit dans une cavité micro-onde, dont le champ électrique peut être couplé à la charge, nous réalisons une interface spin-photon. Un second projet est centré sur l'utilisation de boîtes quantiques comme systèmes modèles. Ce projet consiste à coupler, via une cavité micro-onde, un qubit supraconducteur, qui servira de sonde peu invasive, et une boîte quantique unique. Un tel circuit peut exhiber différent comportement dont l'effet Kondo, qui est un effet à N-corps. Dans ce travail, nous présentons à la fois une étude théorique, et des travaux expérimentaux. Finalement, un travail en collaboration, sur une proposition théorique pour détecter le caractère auto-adjoint des fermions de Majorana en utilisant une cavité micro-onde, est présenté. / This thesis work is centered around two key aspects of quantum technologies: quantum information processing and quantum sensing. It builds up onto the microwave light toolbox, developed in circuit quantum electrodynamics, to investigate the properties of mesosocopic circuits. Those circuits, made out here of carbon nanotubes, can be designed to act as quantum bits of information or as condensed matter model system and this thesis explore both aspects. The realization of a coherent spin-photon interface illustrates the first one. The experiment relies on ferromagnetic contacts to engineer an artificial spin-orbit coupling in a double quantum dot. This coupling hybridizes the spin and the charge degree of freedom of the electron in this circuit. By embedding this circuit into a microwave cavity, whose electrical field can be coupled to the charge, we realize an artificial spin-photon interface. A second project, started during this thesis, focuses on using quantum dot circuits as model systems. This project consists in coupling, via a microwave cavity, a superconducting qubit, that will serve as a delicate probe, and single quantum dot circuit. Such a circuit can display several behaviors including the Kondo effect which is intrinsically a many-body effect. In this work, we present both a theoretical study of some possible outcomes of this experiment, and experimental developments. Finally, a theoretical proposition to detect the self-adjoint character of Majorana fermions using a microwave cavity, is presented.

La boite de vitesses est un des principaux organes d’une automobile et son développement est complexe. De nombreuses contraintes doivent être prises en compte et notamment son comportement acoustique et vibratoire. Cet aspect de la conception est de nos jours assez mal maitrisé et les nuisances acoustiques des boites de vitesses, telle que le bruit de grenaille, sont bien souvent découvertes tardivement. L’objectif de ces travaux était le développement d’un modèle numérique de dynamique des engrenages applicable aux boites de vitesses et permettant de prédire les conditions d’apparition du bruit de grenaille. La modélisation proposée dans cette thèse repose sur une association originale de différentes modélisations et est applicable à la grande majorité des boites de vitesses. Les éléments flexibles tels que les arbres et les carters sont modélisés par la méthode des éléments-finis. Un modèle d’engrenage basé sur le modèle de contact de Kelvin-Voigt est développé. Ce dernier permet la prise en compte des pertes de contact et des chocs sur les flancs avants et arrières. Pour compléter la modélisation, des modèles de pertes mécaniques sont implémentés afin de prendre en compte l’influence des roulements, des paliers lisses, des synchroniseurs et du barbotage des pignons dans l’huile. Le modèle développé, couplé à un indicateur de bruit de grenaille, permet de réaliser des études de sensibilités afin d’identifier les paramètres influents sur le bruit de grenaille mais aussi de comparer les comportements vibratoires de différentes configurations. Pour finir, une campagne d’essais sur une boite de vitesse industrielle est réalisée et des résultats de simulations lui sont confrontés. / The gearbox is an important component of an automobile and its development is complex. Numerous constraints must be taken into account, particularly its noise and vibration behavior. This aspect of the conception is nowadays poorly mastered and the noise pollution of gearboxes, such as the rattle noise, are often discovered late. The aim of this work was the development of a numerical model of gear dynamics adapted to gearboxes’ modelling and allowing to predict the conditions of gear rattle noise appearance. The model proposed in this thesis is based on an original combination of different models and is applicable to the vast majority of gearboxes. Flexible components, such as shafts and housings are modeled by the finite element method. A gear model based on Kelvin-Voigt contact model is developed. It allows to take into account the contact losses and the back side contacts. To complete this model, mechanical loss models are implemented in order to take into account the influence of the bearings, plain bearings, synchronizers and gears’ immersion in oil. This model coupled with a noise indicator allows for sensitivity analyzes to identify influential parameters on the rattle noise but also to compare the dynamic behavior of different configurations. Finally, a test campaign on an industrial gerbox is conducted and simulation results are confronted to measurements.

Les boîtes quantiques semiconductrices, confiné dans les trois directions de l’espace, ont une structure électronique proche de celle d’un atome. Une excitation lumineuse y crée des états hors équilibre entraînant l’émission des différents états de charge. Ce travail porte sur l’étude de boîtes quantiques GaAs/AlGaAs produites par une méthode d’épitaxie par jet moléculaire modifiée sur un substrat de GaAs (111) insérées dans une structure de type diode. La première partie porte sur la séparation des différents états de charge dans une boîte unique par la tension appliquée puis leur identification compte tenu de l’échange coulombien et de leurs propriétés magnéto-optiques. Une deuxième partie porte sur l’interaction hyperfine des trous avec le champ nucléaire. Un modèle d’Hamiltonien effectif est proposé pour cette interaction. Des phénomènes de bistabilité, en champ magnétique, de la polarisation des spins nucléaire et électronique sont mis en évidence. / The electronic structure of a semiconductor quantum dot, with 3D carrier confinement on the nano-scale, is close to an atom with discrete state. Above-gap laser excitation creates different exciton state that show very rich emission patterns. This work studies GaAs/AlGaAs quantum dots grown droplet epitaxy on (111)A GaAs substrate embedded in a diode structure. The first part of this thesis presents the spectral separation of exciton complexes due to the bias applied to the sample; the different charge states are identified by analyzing the Coulomb exchange interaction and magneto-optics behavior. The second part studies the hyperfine interaction of the hole spin confined to a dot with the nuclear spins of the atoms that form the dot. An effective Hamiltonian model is proposed for this interaction. Bistable nuclear and also carrier spin polarization states are uncovered in magnetic field dependent measurements.

Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique. / Developments in quantum information processes require the use of solid state qubits that would emit on demand single and indistinguishable photons. Semiconductor quantum dots (QDs) show an atom-like spectrum which makes them attractive in this regard. However, a single QD constitutes an open quantum system coupled to its surrounding solid-state environment, the phonon bath and the fluctuating electrostatic environment. This has important consequences on the coherence properties of the electronic system and the QD is a probe to study these fundamental interactions. Using Fourier spectroscopy and temperature-dependent resonant HOM experiments we show that these two mechanisms occur on very different time scales: spectral diffusion is a slow dephasing process acting on microseconds, while phonon interaction takes place in less than one ns. Then, the loss of ndistinguishability in HOM measurements is only related to dephasing induced by the coupling to the phonon bath. The TPI visibility is preserved around 85 % at low temperature, followed by a rapid loss of coherence. To fully understand the experimental results we developed a mircroscopic model for the electron-phonon interaction which allow to obtain analytic expressions for the dephasing rates. Below 10K the relaxation of the vibrational lattice is the dominant contribution to the loss of TPI visibility. This process corresponds to real phonon transitions resulting in a broad phonon sideband in the QD emission spectra. Above 10K, virtual phonon transitions to higher lying excited states become the dominant dephasing mechanism, leading to broadening of the zero phonon line and a corresponding rapid decay in the visibility.

Le développement et la multiplication de dispositifs connectés, en particulier avec les \textit{smartphones}, nécessitent la mise en place de moyens d'authentification. Dans un soucis d'ergonomie, les industriels intègrent massivement des systèmes biométrique afin de garantir l'identité du porteur, et ce afin d'autoriser l'accès à certaines applications et fonctionnalités sensibles (paiements, e-banking, accès à des données personnelles : correspondance électronique..). Dans un soucis de garantir, une adéquation entre ces systèmes d'authentification et leur usages, la mise en œuvre d'un processus d'évaluation est nécessaire.L'amélioration des performances biométriques est un enjeux important afin de permettre l'intégration de telles solutions d'authentification dans certains environnement ayant d'importantes exigences sur les performances, particulièrement sécuritaires. Afin d'améliorer les performances et la fiabilité des authentifications, différentes sources biométriques sont susceptibles d'être utilisées dans un processus de fusion. La biométrie multimodale réalise, en particulier, la fusion des informations extraites de différentes modalités biométriques. / Development and spread of connected devices, in particular smartphones, requires the implementation of authentication methods. In an ergonomic concern, manufacturers integrates biometric systems in order to deal with logical control access issues. These biometric systems grant access to critical data and application (payment, e-banking, privcy concerns : emails...). Thus, evaluation processes allows to estimate the systems' suitabilty with these uses. In order to improve recognition performances, manufacturer are susceptible to perform multimodal fusion.In this thesis, the evaluation of operationnal biometric systems has been studied, and an implementation is presented. A second contribution studies the quality estimation of speech samples, in order to predict recognition performances.

Cette thèse s’intéresse à la faisabilité des implémentations en boîte blanche de permutations pseudo-aléatoires sûres. Concrètement nous montrons comment un schéma de chiffrement fonctionnel à plusieurs entrées, qui satisfait une notion naturelle d’être à sens unique, est fondamental à la construction d’implémentations protégées contre les attaques d’extraction de clés. Comme contribution indépendante possédant son intérêt propre, nous étendons la notion de robustesse cryptographique. Sommairement, le chiffrement robuste garantit qu’un chiffré ne peut être lu au moyen de plusieurs clés. Décrite tout d’abord dans le contexte de la cryptographie à clé publique, nous étendons les définitions aux contextes du chiffrement fonctionnel et à l’authentification. / This thesis investigates the realizability of white-box implementations for secure pseudorandom permutations. Concretely, we show that multi-input functional encryption achieving a natural definition of one-wayness is instrumental in building implementations that are secure against key-extraction attacks. As a contribution of independent interest, we extend the notion of robustness to a larger set of primitives. Roughly speaking, robust encryption guarantees that a ciphertext cannot be decrypted under different keys. Initially formalized in a public-key context, we introduce compelling definitions for authentication and functional encryption schemes.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juin 2023) / FMRP (Fragile X mental retardation protein) est une protéine de liaison à l'ARN dont l'absence cause le développement du syndrome du X fragile avec retard mental (FXS). Ceci serait dû en partie à la perte de la fonction traductionnelle des formes cytoplasmiques de la protéine. Des isoformes nucléaires de FMRP (nFMRP) ont également été identifiées. Cependant, leurs fonctions demeurent très peu étudiées. Ces isoformes ont été localisées au sein de structure nucléaire de traitement de l'ARN, les corps de Cajal. De plus, nos investigations ont impliqué nFMRP dans la réponse cellulaire aux dommages à l'ADN identifiant nFMRP comme étant un antagoniste de la formation de structures d'instabilité génomique et empêchant l'accumulation des dommages à l'ADN associé. Toutefois, les mécanismes sous-jacents impliquant nFMRP et ses interacteurs demeurent inconnus. L'hypothèse est que nFMRP interagit avec des partenaires nucléaires impliqués dans le métabolisme de l'ARN et dans la signalisation du dommage à l'ADN afin de maintenir l'intégrité génomique cellulaire. Les objectifs sont d'identifier les partenaires de nFMRP chez l'humain et de caractériser leur interaction. Ce travail a permis de localiser nFMRP au sein de sites de réparation du dommage à l'ADN, les foyers de Fanconi et d'investiguer l'effet de la protéine sur les R-loops. Finalement, mes travaux ont identifié la protéine DDX5, une hélicase à ARN, réparant les dommages à l'ADN par la résolution de R-loops, comme étant le premier partenaire de nFMRP. Ce résultat permet de définir le rôle joué par nFMRP dans le maintien de la stabilité génomique. Des études de mutagenèses permettront de caractériser le mécanisme entre nFMRP et DDX5 et de futures analyses de protéomique à large spectre permettront d'établir le premier interactome de nFMRP. Ce travail permettra d'ouvrir des avenues de recherche dans la perspective de mieux comprendre les fonctions de nFMRP ainsi que la physiopathologie du FXS. / FMRP (Fragile X mental retardation protein) is an RNA-binding protein whose absence causes the development of Fragile X syndrome with mental retardation (FXS). This would be due in part to the loss of the translational function of the cytoplasmic forms of the protein. Nuclear isoforms of FMRP (nFMRP) have also been identified. However, their functions remain very little studied. These isoforms have been localized within the nuclear RNA processing structure, the Cajal bodies. Furthermore, our investigations implicated nFMRP in the DNA damage cellular response, identifying nFMRP as an antagonist of the formation of genomic instability structures and preventing the accumulation of associated DNA damage. However, the underlying mechanisms involving nFMRP and its interactors remain unknown. The hypothesis is that nFMRP interacts with nuclear partners involved in RNA metabolism and DNA damage signaling to maintain cellular genomic integrity. The objectives are to identify the partners of nFMRP in humans and to characterize their interaction. This work made it possible to locate nFMRP within DNA damage repair sites, the Fanconi foci, and to investigate the effect of the protein on R-loops. Finally, my work identified the protein DDX5, an RNA helicase, repairing DNA damage by resolving R-loops, as the first partner of nFMRP. This result makes it possible to define the role played by nFMRP in the maintenance of genomic stability. Mutagenesis studies will characterize the mechanism between nFMRP and DDX5 and future broad-spectrum proteomic analyzes will establish the first interactome of nFMRP. This work will open avenues of research to better understanding the functions of nFMRP as well as the pathophysiology of FXS.

Ce travail porte sur différentes méthodes de détection de protéines par des anticorps (Acs) marqués par des boîtes quantiques (QD, « quantum dots »). La première partie de la thèse porte sur le développement et l'optimisation de méthodes de conjugaison d'Acs polyclonaux à des QDs. Une étude de 2007 avait démontré que les conjugués anticorps-quantum dots (Acs-QDs) commerciaux ne présentent que de très rares anticorps fonctionnels à leur surface [Pathak et al., 2007]. Nous avons donc : (i) développé des conditions de réduction ménagée des ponts disulfures des Acs en utilisant soit du dithiothreitol, soit du 2-mercapotethanolamine, (ii) purifié les fragments d'Acs fonctionnels grâce à une colonne d'affinité, (iii) conjugué ces fragments fonctionnels d'Acs aux QDs en utilisant l'agent de liaison amine-thiol SMCC et (iv) développé une méthode de purification des conjugués sur gel d'agarose afin d'éliminer les fragments d'Acs non conjugués et les QDs libres. Des tests en cytométrie en flux ont permis de déterminer l'efficacité des conjugués pour détecter l'expression de la molécule CD4 à la surface de lymphocytes T humains. Un marquage de CD4 réalisé avec des conjugués préparés selon notre méthode s'avère être cinq fois plus sensible qu'en utilisant des conjugués réalisés selon les recommandations commerciales. Une autre méthode de préparation des Acs pour la conjugaison aux QDs a été testée : l'ajout de groupements fonctionnels sulfhydriles sur des amines primaires grâce au N-succinimidyl S-acetylthioacetate (SATA). Cependant, cette méthode ne permet pas d'avoir un contrôle précis du nombre ni de l'emplacement des groupements fonctionnels sulfhydriles ainsi ajoutés. Les tests de conjugaison aux QDs qui ont été réalisés avec ces Acs-SH, en utilisant l'agent de liaison SMCC, a entraîné la formation d'agrégats de taille variable. Cette méthode a donc été abandonnée.La seconde partie de la thèse porte sur la démonstration de la faisabilité et l'optimisation d'un marquage de l'antigène carcino-embryonnaire (CEA, « carcinoembryonic antigen ») humain à la surface de lignées cellulaires murines avec un anticorps simple domaine (sdAb) anti-CEA biotinylé détecté grâce à des conjugués streptavidine-QDs commerciaux et analysé par cytométrie en flux. Ces sdAbs ont été biotinylés selon deux approches : (i) avec des agents de biotinylation chimique qui permettent d'ajouter une biotine sur les amines primaires (biotinylation in vitro) et (ii) par une enzyme lors de leur production par E. coli (biotinylation in vivo). La détection du CEA humain à la surface des 100 000 cellules (lignées cellulaires murine MC38 et MC38-CEA) par ces sdAbs biotinylés a été testée en cytométrie de flux puis comparée à celle obtenue par un anticorps monoclonal biotinylé in vitro. Les résultats ont démontré que les sdAbs biotinylés ont une sensibilité de détection similaire que la biotinylation soit réalisée in vitro ou in vivo. Par contre, la sensibilité de la détection du CEA est environ cinquante fois meilleure en utilisant des sdAbs biotinylés (0,6 fmol d'anticorps sont nécessaires pour détecter le CEA) qu'avec des anticorps monoclonaux biotinylés (33 fmol). / We have been working on different ways to detect proteins with antibodies (Abs) labeled by quantum dots (QDs). The first part of his work is to develop and optimize the conjugation of polyclonal antibodies to quantum dot. A study has reported that commercial antibody-quantum dots conjugates (Abs-QDs) present very few functional Ab fragments at the surface of the conjugate [Pathak et al., 2007]. We had: (i) developed an advanced procedure of antibody reduction using dithiothreitol (DTT) or 2-mercaptoethanolamine (2-MEA) (to prevent the loss of antibody functions), (ii) purified the active fragments by affinity purification on column, (iii) conjugated the active reduced antibody fragments to QDs using the amine-thiol crosslinker SMCC for SH coupling, and (iv) developed the purification of the conjugates on agarose gel to remove free QDs and unconjugated antibody fragments. Our conjugates present about a five times better ability to detect CD4 by flow cytometry on 500 000 isolated human lymphocyte T cells than those made after the commercial procedure. Another procedure for antibody preparation was addition of sulfhydryl groups on primary amines using N-succinimidyl S-acetylthioacetate (SATA). However this procedure presents some variable yield and the number and the localization of sulfhydryl groups added on antibody cannot be fully controlled. Thereby, the conjugation of these Abs-SH to QDs using SMCC chemistry leads to the creation of aggregates. This Ab preparation in preparation for conjugation to QDs was abandoned.The second part of our work focusses on testing and comparing the ability to detect carcinoembryonic antigen (CEA) by flow cytometry with anti-CEA single domain antibodies (sdAbs) labeled by QDs. The sdAbs were biotinylated by using two methods: (i) in vitro chemical biotinylation reagent which adds biotins on primary amines, and (ii) enzymatic in vivo biotinylation during their production in E. coli. These anti-CEA sdAb biotinylation methods were compared to in vitro biotinylated monoclonal Abs against CEA for their respective ability to detect human CEA on 100 000 mice cells (MC38 and MC38-CEA cell lines) using flow cytometry. The results show that the limit detection for biotinylated sdAbs is similar between in vitro and in vivo biotinylation. Furthermore the limit detection with biotinylated sdAb (0.6 fmol are required to detect CEA) is about fifty times better than with biotinylated monoclonal Abs (33 fmol).

Le présent mémoire propose une investigation approfondie de l’analyseur Alloy afin de juger son adaptabilité en tant que vérificateur de modèles. Dans un premier temps, l’étude dresse un tableau comparatif de six vérificateurs de modèles, incluant Alloy, afin de déterminer lequel d’entre eux est le plus apte à résoudre les problématiques de sécurité fonctionnelle posées par les systèmes d’information. En conclusion de cette première phase, Alloy émerge comme l’un des analyseurs les plus performants pour vérifier les modèles sur lesquels se fondent les systèmes d’information. Dans un second temps, et sur la base des problématiques rencontrées au cours de cette première phase, l’étude rapporte une série d’idiomes pour, d’une part, présenter une manière optimisée de spécifier des traces et, d’autre part, trouver des recours afin de contourner les limitations imposées par Alloy. À ces fins, le mémoire propose deux nouveaux cas d’espèce, ceux d’une cuisinière intelligente et d’une boîte noire, afin de déterminer si oui ou non l’analyseur est capable de gérer les systèmes dynamiques possédant de nombreuses entités avec autant d’efficacité que les systèmes qui en possèdent moins. En conclusion, le mémoire rapporte que Alloy est un bon outil pour vérifier des systèmes dynamiques mais que sa version récente, DynAlloy, peut être encore mieux adapté pour le faire puisque précisément conçu pour faire face aux spécificités de ce type de système. Le mémoire s’achève sur une présentation sommaire de ce dernier outil.