Les simulateurs quantiques, qui utilisent un système quantique contrôlable pour étudier le comportement et les propriétés d'un autre système quantique, moins accessible, sont une ressource prometteuse. Dans les dernières années, des progrès significatifs ont été faits dans de nombreux domaines expérimentaux et théoriques. Les marches quantiques à temps discret sont des systèmes simples et sophistiqués. En particulier, il a été montré qu'à la limite continue, ces marches peuvent simuler certaines théories de champs. Dans ce travail de thèse, lesdites marches sont utilisées pour explorer certains sujets d'intérêt physique, qui s'articulent autour de trois axes : (i) la connexion entre les propriétés géométriques de la marche et celles de divers champs de jauge ; (ii) la limite classique et la limite quasi-quantique, en relation surtout avec les théories de champs ; (iii) l'équilibration spontanée pour certains modèles non linéaires de marches quantiques. Chaque résultat est appuyé par une étude numérique et analytique. / Problems too demanding for classical computers can be approached promisingly with quantum simulators, which operate using one controllable quantum system in order to investigate the behavior and properties of a less accessible one. Over the past few years, significant progress has been made in a number of experimental and theoretical fields. Quantum Walks (QWs) are simple and sophisticated discrete space and time dynamical systems and it has been shown that in the continuous limit different emergent quantum fields can be simulated. In this thesis we will draw on QWs to further explore various areas of interest in Physics. More specifically our analysis will branch out into three main directions: (i) the connection between QWs and quantum field theory, with particular attention to bridging the quantum coin of QWs with the geometrical properties of gauge field theories; (ii) the study of QWs' classical limit and of the transient semi-classical dynamics, especially in relation with field theories; (iii) the spontaneous equilibration and thermalization in some nonlinear QWs-like models. Every step of this thesis will be validated by specific analytical results and numerical implementations.

Cette thèse contient des contributions originales à la théorie du Contrôle Optimal en temps discret et en horizon infini du point de vue de Pontryagin. Il y a 5 chapitres dans cette thèse. Dans le chapitre 1, nous rappelons des résultats préliminaires sur les espaces de suites à valeur dans et des résultats de Calcul Différentiel. Dans le chapitre 2, nous étudions le problème de Contrôle Optimal, en temps discret et en horizon infini avec la contrainte asymptotique et avec le système autonome. En utilisant la structure d'espace affine de Banach de l'ensemble des suites convergentes vers 0, et la structure d'espace vectoriel de Banach de l'ensemble des suites bornées, nous traduisons ce problème en un problème d'optimisation statique dam des espaces de Banach. Après avoir établi des résultats originaux sur les opérateurs de Nemytskii sur les espaces de suites et après avoir adapté à notre problème un théorème d'existence de multiplicateurs, nous établissons un nouveau principe de Pontryagin faible pour notre problème. Dans le chapitre 3, nous établissons un principe de Pontryagin fort pour les problèmes considérés au chapitre 2 en utilisant un résultat de Ioffe-Tihomirov. Le chapitre 4 est consacré aux problèmes de Contrôle Optimal, en temps discret et en horizon infini, généraux avec plusieurs critères différents. La méthode utilisée est celle de la réduction à l'horizon fini, initiée par J. Blot et H. Chebbi en 2000. Les problèmes considérés sont gouvernés par des équations aux différences ou des inéquations aux différences. Un nouveau principe de Pontryagin faible est établi en utilisant un résultat récent de J. Blot sur les multiplicateurs à la Fritz John. Le chapitre 5 est consacré aux problèmes multicritères de Contrôle Optimal en temps discret et en horizon infini. De nouveaux principes de Pontryagin faibles et forts sont établis, là-aussi en utilisant des résultats récents d'optimisation, sous des hypothèses plus faibles que celles des résultats existants. / This thesis contains original contributions to the optimal control theory in the discrete-time framework and in infinite horizon following the viewpoint of Pontryagin. There are 5 chapters in this thesis. In Chapter 1, we recall preliminary results on sequence spaces and on differential calculus in normed linear space. In Chapter 2, we study a single-objective optimal control problem in discrete-time framework and in infinite horizon with an asymptotic constraint and with autonomous system. We use an approach of functional analytic for this problem after translating it into the form of an optimization problem in Banach (sequence) spaces. Then a weak Pontyagin principle is established for this problem by using a classical multiplier rule in Banach spaces. In Chapter 3, we establish a strong Pontryagin principle for the problems considered in Chapter 2 using a result of Ioffe and Tihomirov. Chapter 4 is devoted to the problems of Optimal Control, in discrete time framework and in infinite horizon, which are more general with several different criteria. The used method is the reduction to finite-horizon initiated by J. Blot and H. Chebbi in 2000. The considered problems are governed by difference equations or difference inequations. A new weak Pontryagin principle is established using a recent result of J. Blot on the Fritz John multipliers. Chapter 5 deals with the multicriteria optimal control problems in discrete time framework and infinite horizon. New weak and strong Pontryagin principles are established, again using recent optimization results, under lighter assumptions than existing ones.

This master's thesis deals with optimization of traffic networks. There are discussed modeling methods for traffic and simplifications used in these models. Introductory part is focused on mathematical theory used to buid presented model. Main focus of this thesis was creation and optimization of the model which describes real world traffic network with traffic lights. Model was tested on both artificial and real data gathered in city Zlín. It was necessary to create generator which can produce suitable input data for model.

V tejto práci sa zoberáme problémom automatizovanej syntézy pravdepodobnostných programov: majme konečnú rodinu kandidátnych programov, v ktorej chceme efektívne identifikovať program spĺňajúci danú špecifikáciu. Aj riešenie tých najjednoduchších syntéznych problémov v praxi predstavuje NP-ťažký problém. Pokrok v tejto oblasti prináša nástroj Paynt, ktorý na riešenie tohto problému používa novú integrovanú metódu syntézy pravdepodobnostných programov. Aj keď sa tento prístup dokáže efektívne vysporiadať s exponenciálnym rastom rodín kandidátnych riešení, stále tu existuje problém spôsobený exponenciálnym rastom jednotlivých členov týchto rodín. S cieľom vysporiadať sa aj s týmto problémom, sme implementovali GPU orientované algoritmy slúžiace na overovanie kandidátnych programov (modelov), ktoré danú úlohu paralelizujú na stavovej úrovni pravdepodobnostých modelov. Celkové zrýchlenie doshiahnuté týmto prístupom za určitých podmienok potom prinieslo takmer teoretický limit možného zrýchlenia syntézneho procesu.

L'objectif de cette thèse de doctorat est (i) d'étudier et de développer des méthodes d’analyse et de commande de systèmes de contrôle en réseau linéaires et non linéaires et (ii) de montrer le potentiel de ces approches dans des applications complexes pertinentes. À cet égard, la théorie des systèmes à plusieurs agents, la théorie des graphes algébriques et le consensus sont des outils méthodologiques les plus intéressants. Une attention particulière est accordée à la caractérisation des relations entre, d'une part, la topologie du graphe de communication qui sous-tend l'évolution du système à plusieurs agents considéré et, d'autre part, les propriétés spectrales de la matrice Laplacienne associée au graphe lui-même. Le contrôle d'un groupe d'agents autonomes est étudié sous différents angles. Le principal objectif de contrôle est de s’assurer que les agents travaillent ensemble de manière coopérative, où la coopération représente la relation étroite entre tous les agents de l'équipe, le partage de l'information jouant un rôle important. En particulier, beaucoup de problèmes de consensus/accord/ synchronisation /rendez-vous sont étudiés afin de guider un groupe d’agents vers un état commun. Le consensus est étudié dans un contexte à temps discret parce que la dynamique du système est en général continue alors que les mesures et les entrées de contrôle sont des données échantillonnées. En outre, la théorie des jeux est utilisée pour faire face aux problèmes de coordination distribués à plusieurs agents, avec une application aux réseaux connus sous le nom de Software Defined Networks. À cet égard, on peut montrer que, sous des protocoles correctement conçus, les joueurs convergent vers un équilibre unique de Wardrop. On concentre l’attention sur le contrôle distribué, car cette approche présente des avantages évidents par rapport à la centralisation, comme l'évolutivité et la robustesse. Pourtant, le contrôle distribué a également ses propres inconvénients : avant tout, un inconvénient est que chaque agent ne peut pas prédire efficacement le comportement global du groupe en se basant uniquement sur des informations locales. Une certaine attention est également accordée à la nécessité de sécuriser les réseaux électriques contre le danger des attaques cyber-physiques grâce au développement de technologies d'intelligence distribuée. À cet égard, sur la base de topologies de réseaux d'énergie réalistes, nous présentons brièvement la conception d'un schéma de protection contre les attaques dynamiques à un point et à points multiples en boucle fermée. Nous formulons et résolvons un problème d'optimisation non convexe soumis à une contrainte de stabilité de Lyapunov pour la représentation à plusieurs agents autonome d'un réseau électrique obtenue après la linéarisation et l'application des lois d’attaque et de contrôle de fréquence. Finalement, nous présentons des résultats obtenus sur : le pilotage exact de la dynamique non linéaire finie à données échantillonnées avec des retards sur les entrées, au sujet de la stabilisation à données échantillonnées et de la poursuite de l'orbite quasi-halo autour du point de libration translunaire L₂, et au sujet des algorithmes heuristiques basés sur des méthodes d'apprentissage par renforcement à plusieurs agents capables d'effectuer un contrôle adaptatif optimal de qualité de service / qualité de l’expérience dans des scénarios sans modèle. / The objective of this PhD thesis is (i) to investigate and develop methods for the analysis and design of linear and nonlinear networked control systems and (ii) to show the potential of such approaches in relevant complex applications. In this respect, multi-agent systems theory, algebraic graph theory and consensus are the most interesting methodological tools, and specific attention is paid to the characterization of the relationships between, on the one hand, the topology of the communication graph that underlies the evolution of the considered multiagent system and, on the other hand, the spectral properties of the Laplacian matrix associated with the graph itself. The control of a group of autonomous agents is investigated from different perspectives. The main control objective is to make sure that the agents work together in a cooperative fashion, where cooperation accounts for the close relationship among all agents in the team, with information sharing playing an important role. In particular, various problems regarding consensus/agreement/synchronization/rendezvous are investigated with the specific aim of driving a group of agents to some common state. Consensus is investigated in a discrete-time setting due to the fact that the system dynamics is normally continuous while the measurements and control inputs might only be made in a sampled-data setting. Moreover, game theory is relied upon in order to cope with distributed multi-agent coordination problems, with application to Software Defined Networks. In this respect, it can be shown that, under properly designed protocols, the players converge to a unique Wardrop equilibrium. We focus on distributed control, since this approach shows obvious benefits over centralization, such as scalability and robustness. Yet, it also has its own drawbacks: among all, one drawback is that each agent cannot effectively predict the overall group behaviour based on only local information. Some attention is also devoted to the need for securing power grids against the danger of cyber-physical attacks through the development of distributed intelligence technologies accompanied by appropriate security enforcements. In this respect, based on realistic power network topologies, we briefly present the design of a protection scheme against closed-loop single-point and multi-point dynamic load altering attacks. This is done by formulating and solving a non-convex optimization problem subject to a Lyapunov stability constraint for the autonomous multiagent representation of a power system obtained after linearization and application of the attack and frequency control laws. Eventually, we show some other results achieved in terms of the exact steeering of finite sampled nonlinear dynamics with input delays, of sampled-data stabilization and quasi-halo orbit following around the L₂ translunar libration point, and of heuristic algorithms based on multi-agent reinforcement learning methods capable of performing optimal adaptive Quality of Service/Quality of Experience control in model-free scenarios.

We study numerical methods for finding the maximal symmetric positive definite solution of the nonlinear matrix equation $X = Q + LX^{-1}L^T$, where Q is symmetric positive definite and L is nonsingular. Such equations arise for instance in the analysis of stationary Gaussian reciprocal processes over a finite interval. Its unique largest positive definite solution coincides with the unique positive definite solution of a related discrete-time algebraic Riccati equation (DARE). We discuss how to use the butterfly SZ algorithm to solve the DARE. This approach is compared to several fixed point type iterative methods suggested in the literature.

The numerical solution of Stein (aka discrete Lyapunov) equations is the primary step in Newton's method for the solution of discrete-time algebraic Riccati equations (DARE). Here we present a low-rank Smith method as well as a low-rank alternating-direction-implicit-iteration to compute low-rank approximations to solutions of Stein equations arising in this context. Numerical results are given to verify the efficiency and accuracy of the proposed algorithms.

<p>The development of ultracold atom physics enables people to study fundamental questions in quantum mechanics within this highly-tunable platform. This dissertation focuses on several topics of the dynamical evolution of quantum systems.</p><p>Chapter 2 and 3 talk about Loschmidt echo, a simple quantity that reveals many hidden properties of a system’s time evolution. Chapter 2 looks for vanishing Loschmidt echo in the complex plane of time and the corresponding dynamical quantum phase transitions (DQPT) in the thermodynamic limit. For a two-site Bose-Hubbard model consisting of weakly interacting particles, DQPTs reside at the time scale inversely proportional to the interaction, where highly entangled pair condensates also show up. Chapter 3 discusses the revival of Loschmidt echo in a discrete time crystal, a Floquet system whose discrete temporal transition symmetry is spontaneously broken. We propose a new design and demonstrate its robustness against the fluctuations in the driving field. It can also be used in precision measurement to go beyond the Heisenberg limit. Experimental schemes are presented.</p><p>Out-of-time-order correlator (OTOC) is a more complicated variant of Loschmidt echo. Experimentally it requires reversing the time evolution. In Chapter 4, by exploiting the SU(1,1) symmetry of a weakly interacting BEC and connecting its quantum dynamics to a hyperbolic space, we obtain a geometric framework that enables experimentalists to manipulate the evolution with great freedom. Backward evolution is then realized effectively to measure OTOC of such SU(1,1) systems.</p><p>Chapter 5 discusses the decoherence of a spin impurity immersed in a spinor BEC. Our calculations show that by looking at the dynamics of the impurity’s reduced density matrix, the phase of the spinor BEC can be detected.</p>

MSc (Statistics) / Department of Statistics / Selection of variables is vital in high dimensional statistical modelling as it aims to identify the right subset model. However, variable selection for discrete survival analysis poses many challenges due to a complicated data structure. Survival data might have unobserved heterogeneity leading to biased estimates when not taken into account. Conventional variable selection methods have stability problems. A simulation approach was used to assess and compare the performance of Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (Lasso) and gradient boosting on discrete survival data. Parameter related mean squared errors (MSEs) and false positive rates suggest Lasso performs better than gradient boosting. Frailty models outperform discrete survival models that do not account for unobserved heterogeneity. The two methods were also applied on Zimbabwe Demographic Health Survey (ZDHS) 2016 data on age at first marriage and did not select exactly the same variables. Gradient boosting retained more variables into the model. Place of residence, highest educational level attained and age cohort are the major influential factors of age at first marriage in Zimbabwe based on Lasso. / NRF

In this thesis, the performance of absolute quartz-crystal barometers is presented, and their ability to measure, with sub-microbar precision, atmospheric pressure fluctuations with periods as short as a few seconds is demonstrated. The first observations of ocean-generated atmospheric infrasound with periods of about 5 s and sub-microbar amplitudes, called microbaroms, using single absolute barometers are presented. These barometers can measure microbaroms with amplitudes down to 50 nanobars and the 1-h estimates of microbarom amplitudes calculated from data collected independently with three collocated barometers differed by only a few nanobars. The observed microbaroms have amplitudes between 0.2 microbars and 1 microbar with periods between 3 s and 8 s. The relative accuracy between the barometers is of the order of a few pascals. It is concluded that these absolute quartz-crystal barometers can be used effectively for infrasound monitoring.