La Théorie de la Fonctionnelle de la Densité dépendant du temps constitue un outil de choix pour l'étude des mécanismes élémentaires d'irradiation moléculaire. Mais les approximations qui lui sont inhérentes n'éliminent pas un effet non physique appelé auto-interaction, ce qui fausse complètement les propriétés d'irradiation. La voie la plus prometteuse permettant de supprimer l'auto-interaction sans introduire aucun paramètre libre supplémentaire est d'utiliser des fonctionnelles "orbitales dépendantes" (méthodes SIC). Seulement, le formalisme usuel qui en découle n'est pas hermitique, faussant dramatiquement les prédictions physiques dans le cas dynamique, et les tentatives visant à rétablir l'hermiticité connaissent toutes des pathologies indésirables. Ainsi, la question, dans le cas dépendent du temps, d'un formalisme SIC exact (TDSIC), satisfaisant les lois de conservation et numériquement manipulable reste une question ouverte. Nous proposons une nouvelle formulation purement variationnelle, contraignant l'orthonormalité et utilisant le degré de liberté de transformation unitaire. Cela permet d'écrire les équations TDSIC exactes sous une forme hermitique (dans le sous espace occupé), satisfaisant toutes les lois de conservation et menant à un schéma numérique de propagation clair. Le prix à payer est que le hamiltonien résultant est explicitement non local, ce qui est plus gourmand numériquement parlant. Cela nous a conduit à proposer, dans un deuxième temps, une approximation locale particulièrement intéressante, que nous avons baptisée "Generalized SIC-Slater". Enfin, nous proposons un ensemble de résultats numériques sur des systèmes moléculaires variés afin de soumettre les formalismes développés au verdict de la nature et les comparer aux formalismes SIC usuels.

The issue of establishing the status of nonlinear elasticity theory for rubber with respect to the point of view of polymer physics is at the heart of this manuscript. Our aim is to develop mathematical methods to describe, understand, and solve this multiscale problem. At the level of the polymer chains, rubber can be described as a network whose nodes represent the cross-links between the polymer chains. This network can be considered as the realization of some stochastic process. Given the free energy of the polymer network, we'd like to derive a continuum model as the characteristic length of the polymer chains vanishes. In mathematical terms, this process can be viewed as a hydrodynamic limit or as a discrete homogenization, depending on the nature of the free energy of the network. In view of the works by Treloar, by Flory, and by Rubinstein and Colby on polymer physics, and in view of the stochastic nature of the network, stochastic discrete homogenization seems to be the right tool for the analysis. Hence, in order to complete our program we need to understand the stochastic homogenization of discrete systems. Two features make the analysis rich and challenging from a mathematical perspective: the randomness and the nonlinearity of the problem. The achievement of this manuscript is twofold: - a complete and sharp quantitative theory for the approximation of homogenized coefficients in stochastic homogenization of discrete linear elliptic equations; - the first rigorous and global picture on the status of nonlinear elasticity theory with respect to polymer physics, which partially answers the question raised by Ball in his review paper on open problems in elasticity. Although the emphasis of this manuscript is put on discrete models for rubber, and more generally on the homogenization of discrete elliptic equations, we have also extended most of the results to the case of elliptic partial differential equations --- some of the results being even more striking in that case.

L'information quantique est un nouveau domaine de la physique, qui consiste à employer les systèmes quantiques dans le calcul et la transmission de l'information. Cette thèse est consacrée à l'étude de certains aspects théoriques de l'information quantique. Les ordinateurs quantiques utilisent les lois de la mécanique quantique pour exécuter des calculs d'une manière bien plus efficace que les ordinateurs existants. Les ordinateurs quantiques envisageables dans la pratique seraient influencés par des perturbations diverses. Parmi ces sources de perturbations, les interactions résiduelles statiques (indépendantes du temps) à l'intérieur de l'ordinateur sont connues pour être les plus dangereuses dans le sens où elles peuvent s'ajouter de façon cohérente, tandis que les autres perturbations ont la forme d'un bruit aléatoire avec une moyenne égale à zéro. Nous étudions, dans les cas de deux calculs quantiques très différents, l'efficacité des ordinateurs quantiques en présence d'imperfections statiques. Nous trouvons le domaine des paramètres dans lequel l'ordinateur quantique est robuste en présence des imperfections. Une des raisons fondamentales de l'efficacité extraordinaire de l'ordinateur quantique et de l'existence d'autres applications de l'information quantique est l'effet de l'intrication quantique. L'intrication consiste dans l'impossibilité de considérer un état pur générique d'un système quantique composé comme le simple produit des états purs de ses sous-systèmes. Dans cette thèse nous étudions certaines propriétés importantes d'une certaine mesure quantitative d'intrication largement utilisée. Nous considérons également l'entropie informationnelle moyenne des états quantiques, puis nous trouvons une expression explicite pour cette quantité et étudions ses propriétés les plus importantes.

Nous proposons dans cette recherche une solution nouvelle quant à l'existence et à la nature de la singularité initiale d'espace-temps. Dans le contexte de la supergravité N=2 et de la théorie topologique des champs, nous considérons que la singularité initiale d'espace-temps correspond à un instanton gravitationnel singulier de taille zéro caractérisé par une configuration Riemanienne de la métrique (++++) en dimension D = 4. Associée à un état topologique correspondant à l'échelle zéro de l'espace-temps, la singularité initiale n'est pas ici considérée en termes de divergences des champs physiques, mais peut être résolue dans la cadre de la théorie topologique des champs. Nous obtenons ce résultat à partir de l'observation physique selon laquelle le pré espace-temps doit être considéré en équilibre thermique à l'échelle de Planck. En conséquences, nous suggérons de manière naturelle qu'à l'échelle de Planck l'espace-temps à l'équilibre doit être soumis à la condition KMS. Dans ce contexte, l'état KMS dans lequel se trouve le pré espace-temps à l'échelle de Planck pourrait être interprété comme le résultat d'une unification entre " état physique" (métrique lorentzienne +++-) et "état topologique" (métrique riemanienne ++++). Ceci correspond à la phase d'oscillation quantique de la signature de la métrique déjà mise en évidence dans des travaux antérieurs. Nous suggérons alors que "la singularité d'échelle zéro" doit être comprise en termes d'invariants topologiques, en particulier le premier invariant de Donaldson. En conséquences, nous proposons ici un nouvel invariant topologique, asssocié à l'échelle 0 et de la forme Z = TR (-1)s, que nous appelons "invariant de singularité". Enfin, dans ce contexte, nous proposons la conjecture selon laquelle le problème de l'interaction inertielle pourrait être expliqué en termes d'amplitude topologique liée à l'instanton gravitationnel singulier caractérisant, dans notre approche, l'échelle zéro de l'espace-temps.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation et la simulation de dispositifs nanoélectroniques innovants. Premièrement, nous dérivons formellement un modèle avec masse effective pour décrire le transport quantique des électrons dans des nanostructures très fortement confinées. Des simulations numériques illustrent l'intérêt du modèle obtenu pour un dispositif simplifié mais déjà significatif. La deuxième partie est consacrée à l'étude du transport non ballistique dans ces mêmes structures confinées. Nous analysons rigoureusement un modèle de drift-diffusion et puis nous décrivons et implémentons une approche de couplage spatial classique-quantique. Enfin, nous modélisons et simulons un nanodispositif de spintronique. Plus précisement, nous étudions le renversement d'aimantation dans un matériau ferromagnétique multi-couches sous l'effet d'un courant de spin.

Les résultats présentés dans ce mémoire d'habilitation à diriger les recherches s'appuient sur les travaux que j'ai effectués depuis 2006, date à laquelle j'ai rejoint le Laboratoire de Physique Théorique d'Orsay en tant que chargé de recherches au CNRS. J'ai choisi d'articuler ce mémoire autour de trois grandes thématiques : (i) les systèmes élastiques désordonnés, (ii) les propriétés de persistence, (iii) les statistiques d'extrêmes. La première partie s'inscrit dans la continuité des travaux que j'ai effectués lors de ma thèse puis mon post-doctorat. Elle s'articule autour des résultats que j'ai obtenus pour deux modèles élastiques désordonnés : le modèle SOS sur un substrat désordonné en deux dimensions, et le voisinage de la transition de dépiégage d'une ligne élastique, en dimension 1+1 dans un potentiel désordonné. A la fin de mon post-doctorat, j'ai commencé à m'intéresser aux problèmes de persistence, auxquels est consacrée la deuxième partie. Je présente donc mes travaux sur la persistence, dans des situations de dynamique hors d'équilibre mais aussi d'un point de vue un peu plus formel, en connexion avec les propriétés des racines réelles de polynômes aléatoires. Enfin ces propriétés de persistence m'ont amené à m'intéresser aux statistiques d'extrêmes, qui constituent la part la plus importante de ce mémoire, cette thématique étant actuellement mon sujet principal de recherche. Cette dernière partie s'ouvre sur une assez longue introduction sur les statistiques d'extrêmes, où sont présentés un certain nombre de résultats connus (et d'autres moins connus).

Nous nous intéressons à l'imagerie d'un objet enfoui dans un milieu multi-couches inhomogène, avec des données ne contenant pas la phase. Nous résolvons un problème direct modèle de propagation des ondes dans un tel milieu, à l'aide de l'analyse asymptotique et des équations intégrales. Puis nous développons des algorithmes de reconstruction à base de dérivée topologique et des techniques de l'optimisation de forme.

Ce travail est consacré à l'étude de l'équation de Novikov-Veselov, un analogue ( 2 + 1 )-dimensionnel de l'équation renommée de Korteweg-de Vries, intégrable via la transformée de la diffusion inverse pour l'équation de Schrödinger stationnaire en dimension 2 à énergie fixe. Nous commençons par étudier une classe spéciale de solutions rationnelles non singulières de l'équation de Novikov-Veselov à énergie positive, construites par Grinevich et Zakharov, et nous démontrons que ces solutions sont multisolitons. Les solutions de Grinevich-Zakharov sont localisées comme $ O( | x |^{ -2 } ) $, $ | x | \to \infty $, et dans le travail présent, nous prouvons que cette localisation est presque la plus forte possible pour les solitons de l'équation de Novikov-Veselov: nous montrons que l'équation de Novikov-Veselov à énergie non nulle ne possède pas de solitons localisés plus fort que $ O ( | x |^{ - 3 } ) $, $ | x | \to \infty $. Pour le cas d'énergie zéro, nous montrons que si les solitons de l'équation de Novikov-Veselov appartiennent à l'image des solutions de l'équation de Novikov-Veselov modifiée sous la transformation de Miura, dans ce cas, la localisation plus forte que $ O( | x |^{ -2 } ) $ n'est pas possible. Dans le travail présent, nous étudions également la question du comportement asymptotique des solutions du problème de Cauchy pour l'équation de Novikov-Veselov à énergie non nulle (pour le cas d'énergie positive, les solutions transparentes ou " reflectionless " sont considérées). Sous l'hypothèse de non singularité des données de diffusion des solutions nous obtenons que ces solutions décroissent avec le temps de façon uniforme comme $ O( t^{ -1 } ) $, $ t \to +\infty $, dans le cas d'énergie positive et comme $ O( t^{ -3/4 } ) $, $ t \to +\infty $, dans le cas d'énergie négative; dans ce dernier cas, nous démontrons également que l'estimation obtenue est optimale.

L'étude de la propagation de la lumière dans les fibres optiques monomodes requiert la prise en compte de plusieurs phénomènes compliqués tels que la dispersion modale de polarisation et l'effet Kerr. Il s'est avéré que l'évolution de l'enveloppe lentement variable du champ électrique est bien décrite par un système couplé d'équations de Schrödinger non linéaires à coefficients aléatoires : l'équation de Manakov PMD. Cette équation fait intervenir différentes échelles dont le ratio est donné par un petit paramètre. La première partie de ce travail consiste à étudier le comportement asymptotique de la solution de l'équation de Manakov PMD lorsque ce petit paramètre tend vers zéro. En généralisant la théorie de l'Approximation-Diffusion au cadre de la dimension infinie, on a montré que la dynamique asymptotique est donnée par une équation aux dérivées partielles stochastiques dirigée par un mouvement brownien de dimension trois. Dans une seconde partie, nous proposons un schéma de différences finies de type Crank Nicolson pour cette équation pour lequel nous obtenons un ordre de convergence en probabilité d'ordre 1/2. La discrétisation du bruit doit être implicite afin d'obtenir un schéma conservatif et stable. Enfin la dernière partie est relative à la simulation numérique de la dispersion modale de polarisation et à ses effets sur la propagation et la collision de solitons de Manakov. Dans ce cadre, on propose une méthode de réduction de variance valable pour les équations aux dérivées partielles stochastiques.

Le mélanome est le cancer de la peau le plus mortel. S'il est détecté de manière précoce il peut cependant être traité par simple excision et les chances de guérison sont alors très bonnes. Des algorithmes de diagnostic différentiels basés sur des critères morphologiques permettent ainsi de distinguer cette tumeur d'autres lésions bénignes présentes à la surface de la peau. Les mécanismes engendrant les formes et les microstructures caractéristiques d'un mélanome restent cependant pratiquement inconnus. L'objectif de ce travail est d'éclairer les processus morphogénétiques à l'oeuvre lors du développement des tumeurs mélanocytaires à l'aide des outils de la physique macroscopique. On commence par développer un modèle multiphase en couche mince pour décrire la croissance du mélanome dans l'épiderme. On montre analytiquement et numériquement l'existence d'une instabilité conduisant à l'apparition d'ondulations sur le contour d'une lésion initialement circulaire que l'on compare avec les irrégularités de contour fréquemment observées dans les mélanomes. L'identification des paramètres contrôlant cette instabilité permet ainsi de corréler les propriétés microscopiques de la tumeur à la forme et l'évolution macroscopique de la lésion. On montre ensuite la possibilité d'une décomposition spinodale dans cette classe de modèle multiphase, engendrant la formation d'agrégats de cellules tumorales. Le comportement du système aux temps long est cependant perturbée par les mécanismes de régulation de la prolifération cellulaire et un état d'équilibre est atteint où les agrégats de cellules forment une structure symétrique en points, en bandes ou en quadrillage. Ces prédictions permettent de mieux comprendre la présence de points et de globules pigmentés au sein de ces lésions, de taille, de forme et de répartition uniforme dans les tumeurs bénignes, et plus irrégulière dans les mélanomes. On s'intéresse finalement à la peau glabre et on illustre comment la géométrie particulière de l'épiderme dans ces régions influence l'aspect des tumeurs. En montrant comment le transport et la répartition de la mélanine est modifiée on propose ainsi une explication à l'apparition des bandes parallèles pigmentées et à la localisation des colonnes de mélanine. Afin d'étudier l'influence de la géométrie sur la répartition des cellules tumorales on développe un modèle multiphase en couche mince sur surface courbe. On propose ainsi un mécanisme expliquant la localisation d'agrégats cellulaires dans les crêtes épidermiques.