This thesis contains a study of topological phases of matter, with a strong emphasis on symmetry as a unifying theme. We take the point of view that the "topology" in many examples of what is loosely termed "topological matter", has its origin in the symmetry data of the system in question. From the fundamental work of Wigner, we know that topology resides not only in the group of symmetries, but also in the cohomological data of projective unitary-antiunitary representations. Furthermore, recent ideas from condensed matter physics highlight the fundamental role of charge-conjugation symmetry. With these as physical motivation, we propose to study the topological features of gapped phases of free fermions through a Z₂-graded C*-algebra encoding the symmetry data of their dynamics. In particular, each combination of time reversal and charge conjugation symmetries can be associated with a Clifford algebra. K-theory is intimately related to topology, representation theory, Clifford algebras, and Z₂-gradings, so it presents itself as a powerful tool for studying gapped topological phases. Our basic strategy is to use various K</em-theoretic invariants of the symmetry algebra to classify symmetry-compatible gapped phases. The super-representation group of the algebra classifies such gapped phases, while its K-theoretic difference-group classifies the obstructions in passing between two such phases. Our approach is a noncommutative version of the twisted K-theory approach of Freed--Moore, and generalises the K-theoretic classification first suggested by Kitaev. It has the advantage of conceptual simplicity in its uniform treatment of all symmetries. Physically, it encompasses phenomena which require noncommutative algebras in their description; mathematically, it clarifies and provides rigour to the meaning of "homotopic phases", and easily explains the salient features of Kitaev's Periodic Table.

The work presented in this thesis develops techniques, employing the Finite Volume discretisation method, which allow the numerical simulation of three dimensional heat transfer and fluid flow problems using unstructured meshes. The method solves and stores all variables at the element centres which lowers storage requirements and generally shortens run times compared with the Control Volume-Finite Element approach. Correction terms are formulated which address two of the main forms of errors caused by mesh skewness. To allow a generic handling of any unstructured mesh the Cartesian components of velocity are solved under all circumstances. This leads to the requirement to adjust the discretisation of the momentum equations when there is significant flow curvature. The changes are presented in this study both when the position of the flow axis is known prior to the simulation and when its position is known only as a result of the simulation, this being the case when there is more than one source of swirling flow. These original features contribute to a Computational Fluid Dynamics code which is capable of solving swirling, turbulent fluid flow and reactive, radiative heat transfer on highly complex geometries. Specifically the techniques are applied to the simulation of processes occurring in the direct smelting of iron. The use of the Finite Volume method makes it relatively easy to employ many techniques and physical models developed for structured codes. The evaluation of the face convective fluxes is effected through the Rhie - Chow interpolation method. The SIMPLE algorithm is used in the pressure - velocity coupling. In the simulation of swirling flows it is shown that both the standard and ReNormalisation Group k-e models fail to accurately predict turbulent effects. An anisotropic hybrid (k-e and mixing length) model is developed which produces excellent numerical results for the flows of interest. The Simple Chemical Reaction Scheme is used to evaluate the transport of the various chemical species. Radiation effects are simulated through the use of the radiosity model. A series of simulation results are presented which show the capabilities of the methods in test cases ranging from simple heat transfer problems through to the simulation of two swirling jets in a three dimensional unstructured mesh.

Direct numerical simulation of Hz - O2 in the context of a temporally evolving mixing layer has been performed. Real molecular properties as well as the effects of the species differential diffusion were incorporated into an existing 3D parallel FORTRAN code. The geometry is a box with streamwise and spanwise directions being periodic whereas non-periodic boundaries were set up in transverse (vertical) directions which leads to inhomogeneity for the turbulent field in these directions. Initialisation were performed by error function distributions for streamwise velocity component, scalar mass fraction and temperature along the vertical axis of the domain, Initial pressure is set to be uniform and density Willi calculated based on ideal-gas law for the mixture. Disturbances were introduced by generating spanwise and streamwise vorticity in the middle of the mixing layer to enable transition from laminar to turbulent.

Issues of control and causation are central to the Quantum Theory of Computation. Yet there is no place for them in fundamental laws of Physics when expressed in the prevailing conception, i.e., in terms of initial conditions and laws of motion. This thesis aims at arguing that Constructor Theory, recently proposed by David Deutsch to generalise the quantum theory of computation, is a candidate to provide a theory of control and causation within Physics. To this end, I shall present a physical theory of information that is formulated solely in constructor-theoretic terms, i.e., in terms of which transformations of physical systems are possible and which are impossible. This theory solves the circularity at the foundations of existing information theory; it provides a unifying relation between classical and quantum information, revealing the single property underlying the most distinctive phenomena associated with the latter: the unpredictability of the outcomes of some deterministic processes, the lack of distinguishability of some states, the irreducible perturbation caused by measurement and the existence of locally inaccessible information in composite systems (entanglement). This thesis also aims to investigate the restrictions that quantum theory imposes on copying-like tasks. To this end, I will propose a unifying, picture-independent formulation of the no-cloning theorem. I will also discuss a protocol to accomplish the closely related task of transferring perfectly a quantum state along a spin chain, in the presence of systematic errors. Furthermore, I will address the problem of whether self-replication (as it occurs in living organisms) is compatible with Quantum Mechanics. Some physicists, notably Wigner, have argued that this logic is in fact forbidden by Quantum Mechanics, thus claiming that the latter is not a universal theory. I shall prove that those claims are invalid and that the logic of self-replication is, of course, compatible with Quantum Mechanics.

Cette thèse est divisée en trois parties. Dans la prèmiere partie nous décrivons les systèmes dynamiques que l'on considère tout au long de la thèse. Nous donnons aussi des résultats connus sur les fluctuations d'observables dans les systèmes dynamiques tels comme la théorème central limite, les grands déviations et les inégalités de concentration. La deuxième partie de cette thèse est consacrée aux systèmes dynamiques perturbés par un bruit observationnel. Nous démontrons que si un système dynamique satisfait une inégalité de concentration alors le système perturbé satisfait lui aussi une inégalité de concentration adéquate. Ensuite nous appliquons ces inégalités pour obtenir des bornes sur la taille des fluctuations d'observables bruitées. Nous considérons comme observables la fonction d'auto-corrélation, la mesure empirique, l'estimateur à noyau de la densité de la mesure invariante et la dimension de corrélation. Nous étudions ensuite les travaux de S. Lalley sur le problème de débruitage d'une série temporelle. Etant donné une série temporelle générée par un système dynamique chaotique bruité, il est effectivement possible d'éliminer le bruit en moyenne en utilissant l'algorithme de Lalley. Un chapitre de cette thèse est consacré à la preuve de ce théorème. Nous finissons la deuxième partie avec une quête numérique pour les meilleurs paramètres de l'algorithme de Lalley. Dans la troisième partie, nous étudions le problème de l'estimation de l'entropie pour des mesures de Gibbs unidimensionnelles. Nous étudions les propriétés de deux estimateurs de l'entropie. Le premier est basé sur les fréquences des blocs typiques observés. Le second est basé sur les temps d'apparition de blocs typiques. Nous appliquons des inégalités de concentrations pour obtenir un contrôle sur les fluctuations de ces estimateurs.

In the first part of this thesis, we discuss some aspects of the four-dimensional N = 2 superconformal index of theories of class S. We first consider a generalized index on S¹ × S³/Z_r, and prove S-duality in a particular fugacity slice. We then go on to study the (round) superconformal index in the presence of surface defects. We develop a systematic prescription to compute surface defects labeled by arbitrary irreducible representations of the gauge group and subject those defects to various tests in several different limits. Each of these limits is interesting in its own right, and we go on to explore them in some depth. In the second part of this thesis, we construct the gravity duals of large N supersymmetric gauge theories defined on squashed five-spheres with SU(3) × U(1) symmetry. The gravity duals are constructed in Euclidean Romans F(4) gauged supergravity in six- dimensions, and uplift to massive type IIA supergravity. We compute the partition function and Wilson loop in the large N limit of the gauge theory and compare them to their corresponding supergravity dual quantities. As expected from AdS/CFT, both sides agree perfectly. Based on these results, we conjecture a general formula for the partition function and Wilson loop on any five-sphere background, which for fixed gauge theory depends only on a certain supersymmetric Killing vector. We then go on to construct rigid supersymmetric gauge theories on more general Riemannian five-manifolds. We follow a holographic approach, realizing the manifold as the conformal boundary of the six-dimensional bulk supergravity solution. This leads to a systematic classification of five-dimensional supersymmetric backgrounds with gravity duals.

Using Sympelctic Field Theory as a computational tool, we compute Gromov-Witten theory of target curves using gluing formulas and quantum integrable systems. In the smooth case this leads to a relation of the results of Okounkov and Pandharipande with the quantum dispersionless KdV hierarchy, while in the orbifold case we prove triple mirror symmetry between GW theory of target P^1 orbifolds of positive Euler characteristic, singularity theory of a class of polynomials in three variables and extended affine Weyl groups of type ADE.

La thèse est consacrée à l'étude des problèmes inverses liés à la localisation des sources acoustiques et élastiques dans des milieux atténués à partir de mesures à la frontière, et de leurs applications à l'imagerie médicale. Nous présentons des algorithmes efficaces et stables pour compenser les effets d'atténuation sur la résolution d'image. Nous développons des algorithmes basés sur la transformée de Radon pour récupérer la distribution de pression initiale dans les milieux atténués, avec et sans conditions aux limites imposées. Nous appliquons le théorème de phase stationnaire à un opérateur d'atténuation mal conditionné pour corriger l'effet d'atténuation et nous utilisons des méthodes de régularisation TV-Tikhonov pour traiter les problèmes de mesure partielle. Nous revisitons les méthodes de retournement temporel pour les milieux idéaux (sans perte d'énergie) et nous les étendons aux milieux atténuées. Comme des ondes atténuées ne sont pas réversibles en temps, nous utilisons la stratégie de back-propagation des approximations régulières des ondes adjointes atténuées pour reconstituer les sources de façon stable avec une correction d'atténuation d'ordre 1. Pour les milieux acoustiques, nous présentons une stratégie alternative basée sur un pré-traitement des données pour les corrections d'ordre supérieur. Aux milieux élastiques, les données consistent en des ondes de cisaillement et des pressions couplées. Nous proposons une approche originale basée sur la décomposition de Helmholtz avec des poids. En outre, nous introduisons des algorithmes efficaces d'imagerie avec des poids pour localiser les sources de bruit acoustique par des techniques de cross-corrélation et en utilisant une version régularisée de back-propagateurs pour corriger l'atténuation. Nous avons également localisé les sources de bruit spatialement corrélées, et nous estimons la matrice de corrélation entre eux. Afin d'étendre les algorithmes de détection d'anomalies élastiques aux milieux visco-élastiques, nous dérivons une expression de la fonction de Green visco-élastique isotrope. Ensuite, nous proposons une technique de correction d'atténuation pour un milieu quasi-incompressible et prouver que l'on peut accéder à la fonction de Green idéale (non visqueux) à partir de la fonction de Green visco-élastique en inversant un opérateur différentiel ordinaire. Enfin, nous fournissons quelques fonctions de Green visco-élastiques anisotropes, dans le but d'étendre nos résultats aux milieux anisotropes.

I consider the Hofstadter and the Harper operators, regarded as e ective models for a Bloch electron in a uniform magnetic eld, in the limit of weak and strong eld respectively. For each value of the Fermi energy in a spectral gap, I prove that the corresponding Fermi projectors exhibit a geometric duality, expressed in terms of some vector bundles canonically associated to the projectors. As a corollary, I get a rigorous geometric derivation of the TKNN equations. More generally, I prove that analogous equations hold true for any orthogonal projector in the rational rotation C -algebra, alias the algebra of the (rational) noncommutative torus.

Pour simuler numériquement un contrôle non destructif par courants de Foucault (CND-CF), la réponse du capteur peut être modélisée via une approche semi-analytique par intégrales de volume. Plus rapide que la méthode des éléments finis, cette approche est cependant limitée à l'étude de pièces planes ou cylindriques (sans prise en compte des effets de bords) du fait de la complexité de l'expression de la dyade de Green pour des configurations plus générales. Or, il existe une forte demande industrielle pour étendre les capacités de la modélisation CF à des configurations complexes (plaques déformées, bords de pièce...). Nous avons donc été amenés à formuler différemment le problème électromagnétique, en nous fixant comme objectif de conserver une approche semi-analytique. La formulation intégrale surfacique (SIE) permet d'exprimer le problème volumique en un problème de transmission équivalent à l'interface (2D) entre sous-domaines homogènes. Ce problème est ramené à la résolution d'un système linéaire (par la méthode des moments) dont le nombre d'inconnues est réduit du fait du caractère surfacique du maillage. Dès lors, ce système peut être résolu par un solveur direct pour de petites configurations. Cela nous a permis de traiter plusieurs seconds membres (ie. différentes positions de capteurs) pour une seule inversion de la matrice d'impédance. Les résultats numériques obtenus au moyen de cette formulation concernent des plaques avec la prise en compte des effets de bords tels que l'arête et le coin. Ils sont en accord avec des résultats obtenus par la méthode des éléments finis. Pour des configurations de grandes tailles, nous avons mené une étude préliminaire à l'adaptation d'une méthode d'accélération du produit matrice-vecteur intervenant dans un solveur itératif (méthode multipôle rapide, ou FMM) afin de définir les conditions dans lesquelles le calcul FMM fonctionne correctement (précision, convergence...) dans le contexte CND. Lors de l'assemblage du système linéaire, une attention particulière a été portée sur le choix des fonctions de bases (qui doivent respecter la conformité Hdiv) ainsi que sur l'évaluation des interactions proches (faiblement singulières).