Cette thèse est consacrée à l'étude d'identités qu'on observe à l'interface entre le domaine des modèles intégrables en physique statistique et la combinatoire. L'histoire a commencé quand Mills, Robbins et Rumsey étudiaient des Matrices à Signes Alternants (ASM). En 1982, ils proposèrent une formule d'énumération. Pendant qu'ils cherchaient une preuve de cette formule ils découvrirent l'existence d'autres objets comptés par la même formule : les Partitions Planes Totalement Symétriques Auto-Complémentaires (TSSCPP). C'est seulement quelques années plus tard que Zeilberger fut capable de prouver cette égalité, prouvant que les deux objets sont comptés par la même formule. La même année, Kuperberg utilise l'intégrabilité quantique (notion venue de la physique statistique) pour donner une preuve plus simple. En 2001, Razumov et Stroganov conjecturèrent une intrigante relation entre les ASM et l'état fondamental du modèle de spins XXZ (pour Delta=-1/2), lui aussi intégrable. Cette conjecture a été démontrée en 2010 par Cantini et Sportiello. L'objectif principal de ce manuscrit est de comprendre le rôle de l'intégrabilité dans cette histoire, notamment le rôle joué par l'équation de Knizhnik-Zamolodchikov quantique. Grâce à cette équation nous avons été capables de démontrer plusieurs conjectures combinatoires, dont une version raffinée de l'équalité entre le nombre des TSSCPP et des ASM proposée en 1986 par Mills, Robbins et Rumsey et certains propriétés des composantes du vecteur fondamental du modèle XXZ. Est présentée aussi une série de nouvelles conjectures concernant l'état fondamental.

Nous étudions la dynamique non linéaire en champ moyen de la formation de molécules diatomiques par photo-association ou magnéto-association d'atomes ultra froids pour un système entièrement atomique dans l'état initial. Nous montrons que dans la limite d'une forte interaction non linéaire entre un système atome-molécule ultra froid et un champ électromagnétique quasi résonnant, le processus de formation du condensat moléculaire peut évoluer suivant deux scénarios en fonction des caractéristiques du champ : régime faiblement oscillatoire ou régime fortement oscillatoire. Dans le cas du régime faiblement oscillatoire, le nombre de molécules augmente sans oscillations prononcées des populations atomiques et moléculaires alors que de fortes oscillations de Rabi apparaissent dans le second cas. Nous présentons des solutions analytiques décrivant la dynamique temporelle du système dans ces deux cas. Nous étudions ensuite l'influence de la diffusion élastique entre particules sur la dynamique de formation cohérente de molécules sous l'action d'un champ extérieur représenté par le modèle de Landau-Zener. Nous déterminons une solution approchée qui décrit bien toute la dynamique temporelle de formation moléculaire dans ce cas général.

Un bon nombre d'expériences récentes en biologie mesurent des systèmes composés de plusieurs composants en interactions, comme par exemple les réseaux de neurones. Normalement, on a expérimentalement accès qu'au comportement collectif du système, même si on s'intéresse souvent à la caractérisation des interactions entre ses différentes composants. Cette thèse a pour but d'extraire des informations sur les interactions microscopiques du système à partir de son comportement collectif dans deux cas distincts. Premièrement, on étudie un système décrit par un modèle d'Ising plus général. On trouve des formules explicites pour les couplages en fonction des corrélations et magnétisations. Ensuite, on s'intéresse à un système décrit par un modèle de Hopfield. Dans ce cas, on obtient non seulement une formule explicite pour inférer les patterns, mais aussi un résultat qui permet d'estimer le nombre de mesures nécessaires pour avoir une inférence précise.

Ce manuscrit de thèse rassemble quelques résultats concernant des problèmes de quantification. Il est divisé en deux parties : la quantification de champs invariants conforme sur l'espace-temps de de Sitter et deux quantifications par états cohérents. • La première partie s'inscrit dans un programme de quantification systématique et rigoureux, proche de l'axiomatique de Wightman, des champs sur l'espace-temps de de Sitter. Plus particulièrement, nous avons étudié les champs admettant une extension (naturelle) au groupe conforme. Après avoir clarifié les notions d'invariance sous les transformations de Weyl et sous le groupe conforme SO0(2, d) nous avons établi un point de vue géométrique reliant/déformant les champs sur l'espace-temps de (anti-)de Sitter à ceux sur l'espace-temps de Minkowski, tout en gardant transparente l'action du groupe conforme. Cette méthode nous a permis d'obtenir le propagateur du champ vectoriel invariant conforme, qui adopte alors une forme particulièrement simple et compacte. Enfin, notre approche se généralise aux champs tensoriels de rang plus élevé invariants conformes sur l'espace-temps de de Sitter. • La seconde partie de ce travail concerne l'utilisation des états cohérents dans les problèmes de quantification. Suivant la géométrie ou la topologie de l'espace des phases, nombres d'observables ne peuvent être quantifiées en suivant les règles de quantification canonique. En un certain sens la quantification par états cohérents, et leurs généralisations, permet de contourner ces difficultés, ou, du moins, fournit des idées quant à la façon de les contourner. Par exemple, la particule dans un puits infini de potentiel est un modèle pour la quantification par états cohérents comme l'opérateur impulsion, en dépit d'être symétrique, n'est pas auto-adjoint et, ainsi, ne peut vérifier les relations de commutation canonique (théorème de Pauli). Grâce à une nouvelle famille d'états cohérents vectoriels nous avons pu quantifier, de manière cohérente, la particule dans le puits infini de potentiel. Enfin, nous avons abordé la fuzzyfication de l'hyperboloïde, c'est-à-dire la quantification de l'espace-temps de de Sitter lui-même, grâce à une nouvelle base d'états cohérents vectoriels.

Mon travail de recherche a couvert ces dernières années un spectre assez large de modélisation, analyse numérique et simulation pour des problèmes physiques et biologiques, de la mécanique à l'échelle moléculaire ou particulaire, niveau dit " microscopique ", à la diffusion non-linéaire, niveau " macroscopique ", en passant par des équations cinétiques décrivant la distribution en vitesse de particules, niveau " mésoscopique ". Le point commun de ces travaux est l'étude de comportements asymptotiques et la recherche d'explications de phénomènes observables macroscopiques par des descriptions micro ou mésoscopiques à l'aide d'outils numériques. Les applications auxquelles on s'intéresse ici sont, pour la partie physique, liées à la thermodynamique couplée ou non avec du transfert radiatif ou une dynamique particulaire raréfiée et, pour la partie biologie-chimie, à des problèmes de propagation d'information par des mécanismes de transport ou de diffusion, ainsi qu'à la recherche de formation de motifs et à l'étude d'extinction de populations. Les équations aux dérivées partielles étudiées proviennent de modèles déterministes ou probabilistes et se classent dans les catégories de transport et de diffusion évolutifs. L'apparition, lors de l'adimensionnement des problèmes, de petits paramètres qui augmentent l'influence de certains des phénomènes caractéristiques dans la solution peut entraîner des difficultés importantes lors du traitement numérique, ce qui impose le recours à des solutions nouvelles permettant de recouvrer au minimum le comportement macroscopique prédit par les observations et par l'analyse mathématique.

In this thesis, having in mind applications to the fault-detection/diagnosis of electrical networks, we consider some inverse scattering problems for the Zakharov-Shabat equations and time-independent Schrödinger operators over star-shaped graphs. The first chapter is devoted to describe reflectometry methods applied to electrical networks as an inverse scattering problems on the star-shaped network. Reflectometry methods are presented and modeled by the telegrapher's equations. Reflectometry experiments can be written as inverse scattering problems for Schrödinger operator in the lossless case and for Zakharov-Shabat system for the lossy transmission network. In chapter 2 we introduce some elements of the inverse scattering theory for 1 d Schrödinger equations and the Zakharov-Shabat system. We recall the basic results for these two systems and we present the state of art of scattering theory on network. The third chapter deals with some inverse scattering for the Schrödinger operators. We prove the identifiability of the geometry of the star-shaped graph: the number of the edges and their lengths. Next, we study the potential identification problem by inverse scattering. In the last chapter we focus on the inverse scattering problems for lossy transmission star-shaped network. We prove the identifiability of some geometric informations by inverse scattering and we present a result toward the identification of the heterogeneities, showing the identifiability of the loss line factor.

This thesis explores three different aspects of quantum gravity. First we study D3-brane black holes in Calabi-Yau compactifications of type IIB string theory. Using the OSV conjecture and a relation between topological strings and matrix models we show that some black holes have a matrix model description. This is the case if the attractor mechanism fixes the internal geometry to a conifold at the black hole horizon. We also consider black holes in a flux compactification and compare the effects of the black holes and fluxes on the internal geometry. We find that the fluxes dominate. Second, we study the scalar potential of type IIB flux compactifications. We demonstrate that monodromies of the internal geometry imply as a general feature the existence of long series of continuously connected minima. This allows for the embedding of scenarios such as chain inflation and resonance tunneling into string theory. The concept of monodromies is also extended to include geometric transitions: passing to a different Calabi-Yau topology, performing its monodromies and then returning to the original space allows for novel transformations. All constructions are performed explicitly, using both analytical and numerical techniques, in the mirror quintic Calabi-Yau. Third, we study cosmological topologically massive gravity at the chiral point, a prime candidate for quantization of gravity in three dimensions. The prospects of this scenario depend crucially of the stability of the theory. We demonstrate the presence of a negative energy bulk mode that grows logarithmically toward the AdS boundary. The AdS isometry generators have non-unitary matrix representations like in logarithmic CFT, and we propose that the CFT dual for this theory is logarithmic. In a complementing canonical analysis we also demonstrate the existence of this bulk degree of freedom, and we present consistent boundary conditions encompassing the new mode.

One of the main topics in the modern String Theory are the conjectured string/gauge (AdS/CFT) dualities. Proving such conjectures is extremely difficult since the gauge and string theory perturbative regimes do not overlap. In this perspective, the discovery of infinitely many conserved charges, i.e. the integrability, in the planar AdS/CFT has allowed us to reach immense progresses in understanding and confirming the duality.The first part of this thesis is focused on the gravity side of the AdS5/CFT4 duality: we investigate the quantum integrability of the type IIB superstring on AdS5 x S5. In the pure spinor formulation we analyze the operator algebra by computing the operator product expansion of the Maurer-Cartan currents at the leading order in perturbation theory. With the same approach at one loop order, we show the path-independence of the monodromy matrix which implies the charge conservation law, strongly supporting the quantum integrability of the string sigma-model. We also verify that the Lax pair field strength remains well-defined at one-loop order being free from UV divergences. The same string sigma-model is analyzed in the Green-Schwarz formalism in the near-flat-space (NFS) limit. Such a limit remarkably simplifies the string world-sheet action but still leaving interesting physics. We use the NFS truncation to show the factorization of the world-sheet S-matrix at one-loop order. This property defines a two-dimensional field theory as integrable: it is the manifestation of the higher conserved charges. Hence, we have explicitly checked their presence at quantum level. The second part is dedicated to the AdS4/CFT3 duality: in particular the type IIA superstring on AdS4 x CP3. We compute the leading quantum corrections to the string energies for string configurations with a large but yet finite angular momentum on CP3 and show that they match the conjectured all-loop Bethe Ansatz equations.

Symplectic geometry can be traced back to Lagrange and his work on celestial mechanics and has since then been a very active field in mathematics, partly because of the applications it offers but also because of the beauty of the objects it deals with. I this thesis we begin by the simplest fact of symplectic geometry. We give the definition of a symplectic space and of the symplectic group, Sp(n). A symplectic space is the data of an even-dimensional space and of a form which satisfies a number of properties. Having done this we give a definition of the Lagrangian Grassmannian Lag(n) which consists of all n-dimensional subspaces of the symplectic space on which the symplectic form vanishes. We carefully study the topology of these spaces and their universal coverings. It is of great interest to know how the elements of the Lagrangian Grassmannian intersect each other. A lot of efforts have therefore been made to construct intersection indices for elements of Lag(n). They have gone under many names but have had a sole purpose, namely to give us a way to determine how these elements intersect. We show how these elements are constructed and extend the definition to paths of elements of Lag(n) and Sp(n). We end this thesis by extending the definition of an index defined by Conley and Zehnder bu using the properties of the Leray index. Their index plays a significant role in the theory of periodic Hamiltonian orbit.

L'objectif de la simulation moléculaire est de comprendre et prédire les propriétés macroscopiques des matériaux à partir de leur description à l'échelle microscopique. Ce mémoire présente quelques contributions à ce sujet, pour des modèles de la physique statistique et de la physique quantique. Mes travaux en physique statistique numérique peuvent être classés en deux catégories : le calcul de propriétés d'équilibre, l'accent étant porté sur le calcul de différences d'énergie libre (chapitre 2), et l'étude de dynamiques hors d'équilibre en régime permanent pour le calcul de propriétés de transport (chapitre 3). Dans les deux cas, les méthodes numériques reposent sur des dynamiques hors d'équilibre ou nonlinéaires, la distinction entre ces classes de méthodes provenant du fait que l'état invariant du système est soit un état d'équilibre (éventuellement, à une correction près) ou un état hors d'équilibre. Le chapitre 4 présente quelques résultats pour des dynamiques quantiques : fictives, comme pour la transition adiabatique d'états dégénérés ; ou authentiques, comme pour l'évolution en temps des défauts locaux dans les cristaux.