Cette thèse explore les caractéristiques uniques offertes par le mélangeur Josephson dans le domaine émergeant de l’optique quantique micro-onde. Nous avons démontré que le mixeur Josephson pouvait jouer trois rôles majeurs pour le traitement de l’information quantique. Nous avons conçu et fabriqué un amplificateur à la limite quantique avec la meilleure efficacité quantique démontrée à cette date. Cet outil crucial peut être utilisé pour la mesure microonde de systèmes mésoscopiques dont les circuits supraconducteurs. En particulier, cela nous a permis de réaliser avec succès la stabilisation de trajectoires d’un bit quantique supraconducteur par rétroaction basée sur la mesure. Ensuite, nous avons montré comment ce circuit peut générer et distribuer des radiations micro-ondes intriquées par conversion paramétrique spontanée sur des lignes de transmissions séparées dans l’espace et à des fréquences différentes. En utilisant deux mixeurs Josephson, nous avons fourni la première démonstration d’intrication non- locale entre deux champs propageants dans le domaine micro-onde, les états dits EPR. Finalement, nous avons utilisé le mixeur Josephson dans le mode de conversion de fréquence. Il se comporte alors comme un interrupteur, permettant d’ouvrir ou fermer dynamiquement l’accès à une cavité de haut facteur de qualité. L’ensemble constitue une mémoire quantique. En combinant cela avec la génération d’intrication, nous avons mesuré la distribution, le stockage et la libération sur demande d’un état intriqué. Ceci est un pré-requis pour jouer le rôle de nœud au sein d’un réseau quantique. / This thesis work explores unique features offered by the Josephson mixer in the upcoming field of microwave quantum optics. We have demonstrated three major roles the Josephson mixer could play in emerging quantum information architectures. First, we have designed and fabricated a state-of-the-art practical quantum limited amplifier with the best quantum efficiency achieved to date. This tool is crucial for probing mesoscopic systems with microwaves, and in particular superconducting circuits. Hence, it has enabled us to realize successfully the stabilization of quantum trajectories of a superconducting qubit by measurement-based feedback. Second, we have shown how this circuit can generate and distribute entangled microwave radiations on separated transmission lines at different frequencies. Using two Josephson mixers, we have provided the first demonstration of entanglement between spatially separated propagating fields in the microwave domain, the so-called Einstein-Podolsky-Rosen states. Finally, we have used the Josephson mixer as a frequency converter. Acting as a switch, it is able to dynamically turn on and off the coupling to a low loss cavity. This feature allowed us to realize a quantum memory for microwaves. In combination with the ability to generate entanglement, we have measured the time-controlled generation, storage and on-demand release of an entangled state, which is a prerequisite for nodes of a quantum network.

Cette thèse traite d'un des problèmes les plus stimulants dans le traitement de la parole concernant la prothèse auditive, où seulement un capteur est disponible avec de faibles coûts de calcul, de faible utilisation d'énergie et l'absence de bases de données. Basée sur les récents résultats dans les deux estimations statistiques paramétriques et non-paramétriques, ainsi que la représentation parcimonieuse. Cette étude propose quelques techniques non seulement pour améliorer la qualité et l'intelligibilité de la parole, mais aussi pour s'attaquer au débruitage du signal audio en général.La thèse est divisée en deux parties ; Dans la première partie, on aborde le problème d'estimation de la densité spectrale de puissance du bruit, particulièrement pour le bruit non-stationnaire. Ce problème est une des parties principales du traitement de la parole du mono-capteur. La méthode proposée prend en compte le modèle parcimonieux de la parole dans le domaine transféré. Lorsque la densité spectrale de puissance du bruit est estimée, une approche sémantique est exploitée pour tenir compte de la présence ou de l'absence de la parole dans la deuxième partie. En combinant l'estimation Bayésienne et la détection Neyman-Pearson, quelques estimateurs paramétriques sont développés et testés dans le domaine Fourier. Pour approfondir la performance et la robustesse de débruitage du signal audio, une approche semi-paramétrique est considérée. La conjointe détection et estimation peut être interprétée par Smoothed Sigmoid-Based Shrinkage (SSBS). Ainsi, la méthode Bloc-SSBS est proposée afin de prendre en compte les atomes voisinages dans le domaine temporel-fréquentiel. De plus, pour améliorer fructueusement la qualité de la parole et du signal audio, un estimateur Bayésien est aussi dérivé et combiné avec la méthode Bloc-SSBS. L'efficacité et la pertinence de la stratégie dans le domaine transformée cosinus pour les débruitages de la parole et de l'audio sont confirmées par les résultats expérimentaux. / This PhD thesis deals with one of the most challenging problem in speech enhancement for assisted listening where only one micro is available with the low computational cost, the low power usage and the lack out of the database. Based on the novel and recent results both in non-parametric and parametric statistical estimation and sparse representation, this thesis work proposes several techniques for not only improving speech quality and intelligibility and but also tackling the denoising problem of the other audio signal. In the first major part, our work addresses the problem of the noise power spectrum estimation, especially for non-stationary noise, that is the key part in the single channel speech enhancement. The proposed approach takes into account the weak-sparseness model of speech in the transformed model. Once the noise power spectrum has been estimated, a semantic road is exploited to take into consideration the presence or absence of speech in the second major part. By applying the joint of the Bayesian estimator and the Neyman-Pearson detection, some parametric estimators were developed and tested in the discrete Fourier transform domain. For further improve performance and robustness in audio denoising, a semi-parametric approach is considered. The joint detection and estimation can be interpreted by Smoothed Sigmoid-Based Shrinkage (SSBS). Thus, Block-SSBS is proposed to take into additionally account the neighborhood bins in the time-frequency domain. Moreover, in order to enhance fruitfully speech and audio, a Bayesian estimator is also derived and combined with Block-SSBS. The effectiveness and relevance of this strategy in the discrete Cosine transform for both speech and audio denoising are confirmed by experimental results.

La thèse se compose de deux parties : une partie consacrée à l'estimation des quantiles conditionnels et une autre à l'apprentissage supervisé. La partie "Estimation des quantiles conditionnels" est organisée en 3 chapitres : Le chapitre 1 est consacré à une introduction sur la régression linéaire locale, présentant les méthodes les plus utilisées, pour estimer le paramètre de lissage. Le chapitre 2 traite des méthodes existantes d’estimation nonparamétriques du quantile conditionnel ; Ces méthodes sont comparées, au moyen d’expériences numériques sur des données simulées et des données réelles. Le chapitre 3 est consacré à un nouvel estimateur du quantile conditionnel et que nous proposons ; Cet estimateur repose sur l'utilisation d'un noyau asymétrique en x. Sous certaines hypothèses, notre estimateur s'avère plus performant que les estimateurs usuels.<br> La partie "Apprentissage supervisé" est, elle aussi, composée de 3 chapitres : Le chapitre 4 est une introduction à l’apprentissage statistique et les notions de base utilisées, dans cette partie. Le chapitre 5 est une revue des méthodes conventionnelles de classification supervisée. Le chapitre 6 est consacré au transfert d'un modèle d'apprentissage semi-paramétrique. La performance de cette méthode est montrée par des expériences numériques sur des données morphométriques et des données de credit-scoring. / The thesis consists of two parts: One part is about the estimation of conditional quantiles and the other is about supervised learning. The "conditional quantile estimate" part is organized into 3 chapters. Chapter 1 is devoted to an introduction to the local linear regression and then goes on to present the methods, the most used in the literature to estimate the smoothing parameter. Chapter 2 addresses the nonparametric estimation methods of conditional quantile and then gives numerical experiments on simulated data and real data. Chapter 3 is devoted to a new conditional quantile estimator, we propose. This estimator is based on the use of asymmetrical kernels w.r.t. x. We show, under some hypothesis, that this new estimator is more efficient than the other estimators already used.<br> The "supervised learning" part is, too, with 3 chapters: Chapter 4 provides an introduction to statistical learning, remembering the basic concepts used in this part. Chapter 5 discusses the conventional methods of supervised classification. Chapter 6 is devoted to propose a method of transferring a semiparametric model. The performance of this method is shown by numerical experiments on morphometric data and credit-scoring data.

M.H.A. Davis a introduit les processus markoviens déterministes par morceaux (PDMP) comme une classe générale de modèles stochastiques non diffusifs, donnant lieu à des trajectoires déterministes ponctuées, à des instants aléatoires, par des sauts aléatoires. Dans cette thèse, nous présentons et analysons des estimateurs non paramétriques des lois conditionnelles des deux aléas intervenant dans la dynamique de tels processus. Plus précisément, dans le cadre d'une observation en temps long de la trajectoire d'un PDMP, nous présentons des estimateurs de la densité conditionnelle des temps inter-sauts et du noyau de Markov qui gouverne la loi des sauts. Nous établissons des résultats de convergence pour nos estimateurs. Des simulations numériques pour différentes applications illustrent nos résultats. Nous proposons également un estimateur du taux de saut pour des processus de renouvellement, ainsi qu'une méthode d'approximation numérique pour un modèle de régression semi-paramétrique. / Piecewise-deterministic Markov processes (PDMP’s) have been introduced by M.H.A. Davis as a general family of non-diffusion stochastic models, involving deterministic motion punctuated by random jumps at random times. In this thesis, we propose and analyze nonparametric estimation methods for both the features governing the randomness of such a process. More precisely, we present estimators of the conditional density of the inter-jumping times and of the transition kernel for a PDMP observed within a long time interval. We establish some convergence results for both the proposed estimators. In addition, numerical simulations illustrate our theoretical results. Furthermore, we propose an estimator for the jump rate of a nonhomogeneous renewal process and a numerical approximation method based on optimal quantization for a semiparametric regression model.

Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.

La diffusion croissante de l'électronique de puissance dans les équipements électriques entraîne une dégradation de la qualité de la tension des réseaux de distribution. Au coeur de ces réseaux électriques, la machine asynchrone est la machine électrique la plus couramment utilisée dans les applications industrielles. La présente étude se concentre essentiellement sur la modélisation fréquentielle de la machine asynchrone dans le but de reproduire, par simulation, le courant de ligne absorbé lorsque celle-ci est alimenté par des tensions non sinusoïdales. Nous avons analysé différents types de modèles issus de la littérature, et nous avons proposé un modèle de type circuit basé sur le principe de superposition : modèle harmonique. L'identification des paramètres des différents modèles a nécessité la réalisation et la comparaison de plusieurs types d'essais fréquentiels (tension constante, V/f constant, injection de courant avec composante continue) dont nous avons discuté la pertinence. La comparaison des résultats de simulation avec les mesures a permis de montrer que l'essai d'identification avec injection de courant continu associé au modèle harmonique conduit à une meilleure représentation du comportement de la machine. Enfin, l'exploitation du modèle dans deux cas d'alimentation non sinusoïdale (réseau perturbé, variateur de vitesse) a démontrer l'intérêt du modèle harmonique pour l'étude des perturbations conduites basses fréquences.

Les bioprocédés ont connu un essor considérable au cours de ces dernières années et sont promis à un bel avenir. Qu'il s'agisse de la production de vaccins, de la fermentation de levures pour l'industrie alimentaire ou encore de l'épuration biologique des eaux usées, les applications sont nombreuses et les produits sont d'un intérêt capital pour l'être humain. Étant donnés le coût et le temps de mise en oeuvre de ces procédés, il est particulièrement utile de construire des simulateurs permettant de reproduire le comportement macroscopique des cultures cellulaires utilisées. Ces simulateurs peuvent servir à déterminer des conditions optimales de fonctionnement (en fonction des critères de l'utilisateur) et à tester certains outils (régulateurs, capteurs logiciels, etc.). Par ailleurs, il est nécessaire, pour le suivi et la régulation de ces procédés, de disposer de grandeurs mesurées (concentrations cellulaires, en substrats, en le produit d'intérêt, etc.). Les problèmes liés à la mesure matérielle de ces grandeurs sont nombreux: coût des capteurs, destruction des échantillons, longues périodes d'échantillonnage, temps d'analyse élevés, etc. Il est dès lors utile de construire des observateurs d'états (ou capteurs logiciels) fournissant une estimation en temps continu de grandeurs non mesurées sur la base d'un modèle mathématique et de certaines mesures matérielles. Les modèles mathématiques sont nécessaires pour la synthèse des deux types d'outils envisagés dans ce travail (simulateurs et capteurs logiciels). Les modèles utilisés consistent en les bilans massiques des constituants apparaissant dans le schéma réactionnel, ce dernier contenant les réactions essentielles pour la description des phénomènes à l'échelle macroscopique. Au sein de ces bilans massiques, une nouvelle structure générale de modèle cinétique est proposée, possédant un certain nombre de propriétés intéressantes, telles l'interprétation physique des paramètres cinétiques, les concentrations définies positives sous certaines conditions, la garantie de stabilité entrées bornées - états bornés, ou encore la possibilité de linéarisation en les paramètres à estimer. Une méthodologie générale d'estimation paramétrique est proposée, afin d'identifier les coefficients pseudo-stoechiométriques, les coefficients cinétiques et certains paramètres expérimentaux (concentrations initiales des cultures). Cette méthodologie possède un caractère systématique, prend en compte les erreurs de mesure sur l'ensemble des signaux (y compris à l'instant initial), fournit à l'utilisateur la covariance des erreurs d'estimation paramétrique, prend en compte intrinsèquement les contraintes de signe sur les paramètres, fournit une estimation des erreurs de simulation, permet de réduire le nombre d'équations différentielles au sein du modèle, etc. La mise en oeuvre et l'intérêt de ces outils sont illustrés en simulation (cultures bactériennes) et dans le cas d'une application réelle (cultures de cellules animales CHO). La première catégorie d'observateurs d'états étudiée dans ce travail est celle des observateurs utilisant pleinement le modèle cinétique. L'observation d'états basée sur l'identification des conditions initiales les plus vraisemblables est plus particulièrement analysée. Elle consiste à estimer en temps continu l'entièreté de l'état par intégration d'un modèle de simulation au départ des conditions initiales les plus vraisemblables. Ces dernières sont identifiées à chaque nouvel instant de mesure sur la base de toute l'information disponible jusqu'à cet instant. Certaines propriétés mathématiques sont étudiées (dont une comparaison avec le filtre de Kalman) et un certain nombre d'extensions de la méthode sont proposées (dont une version récurrente qui ne nécessite plus de résoudre un problème d'optimisation non linéaire à chaque nouvel instant de mesure). Ces outils sont à nouveau illustrés dans le cadre des cultures de cellules animales CHO, et se basent sur les modèles de simulation développés dans la première partie du travail. Étant donné les risques de divergence des observateurs de cette première catégorie lorsque la qualité du modèle cinétique n'est pas suffisante, une seconde catégorie est envisagée, constituée des observateurs utilisant partiellement le modèle cinétique. Dans ce contexte, un nouvelle technique est proposée consistant en un observateur hybride entre le filtre de Kalman étendu (utilisant pleinement le modèle cinétique) et l'observateur asymptotique de Bastin et Dochain (n'utilisant pas du tout le modèle cinétique). Cette structure estime (conjointement avec l'état du système) un degré de confiance en le modèle cinétique. Elle est capable d'évoluer de façon progressive, en fonction de ce degré de confiance, entre les deux solutions extrêmes (filtre de Kalman et observateur asymptotique), tirant ainsi parti des avantages respectifs de ces deux méthodes selon les conditions opératoires et la qualité du modèle cinétique. Ces outils sont validés sur des cultures bactériennes simulées.

L'étude de l'évolution du pronostic de santé d'un patient constitue un domaine important en recherche clinique. Récemment, le développement des modèles multi-états a permis d'étudier cette dynamique en prenant en compte plusieurs états de santé. Dans ce manuscrit, nous utilisons plus particulièrement les modèles semi-markoviens. Ce type de processus distingue les temps de séjour dans les états et les trajectoires des transitions, contrairement à l'approche markovienne classique. Nous avons proposé plusieurs adaptations pour pouvoir appliquer ce type de modèle : la censure par intervalle, le choix des distributions des temps d'attente et l'introduction des covariables. Un test d'adéquation est aussi proposé pour vérifier l'hypothèse de stationnarité. Enfin, une méthode originale, incluant la théorie des courbes ROC, est présentée pour définir des états de santé pertinents au regard du pronostic. Ces développements sont principalement appliqués à une cohorte de patients greffés rénaux (base de données DIVAT).

De nombreuses applications, en vision par ordinateur ou en médecine notamment,ont pour but d'identifier des similarités entre plusieurs images ou signaux. On peut alors détecter des objets, les suivre, ou recouper des prises de vue. Dans tous les cas, les procédures algorithmiques qui traitent les images utilisent une sélection de points-clefs qu'elles essayent ensuite de mettre en correspondance par paire. Elles calculent pour chaque point un descripteur qui le caractérise, le discrimine des autres. Parmi toutes les procédures possibles,la plus utilisée aujourd'hui est SIFT, qui sélectionne les points-clefs, calcule des descripteurs et propose un critère de mise en correspondance globale. Dans une première partie, nous tentons d'améliorer cet algorithme en changeant le descripteur original qui nécessite de trouver l'argument du maximum d'un histogramme : en effet, son calcul est statistiquement instable. Nous devons alors également changer le critère de mise en correspondance de deux descripteurs. Il en résulte un problème de test non paramétrique dans lequel à la fois l'hypothèse nulle et alternative sont composites, et même non paramétriques. Nous utilisons le test du rapport de vraisemblance généralisé afin d'exhiber des procédures de test consistantes, et proposons une étude minimax du problème. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'optimalité d'une procédure globale de mise en correspondance. Nous énonçons un modèle statistique dans lequel des descripteurs sont présents dans un certain ordre dans une première image, et dans un autre dans une seconde image. La mise en correspondance revient alors à l'estimation d'une permutation. Nous donnons un critère d'optimalité au sens minimax pour les estimateurs. Nous utilisons en particulier la vraisemblance afin de trouver plusieurs estimateurs consistants, et même optimaux sous certaines conditions. Enfin, nous nous sommes intéressés à des aspects pratiques en montrant que nos estimateurs étaient calculables en temps raisonnable, ce qui nous a permis ensuite d'illustrer la hiérarchie de nos estimateurs par des simulations

La thèse est divisée en deux parties portant sur deux aspects relativement différents des approches bayésiennes non-paramétriques. Dans la première partie, nous nous intéressons aux propriétés fréquentistes (asymptotiques) de lois a posteriori pour des paramètres appartenant à l'ensemble des suites réelles de carré sommable. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons à des approches non-paramétriques modélisant des données d'espèces et leur diversité en fonction de certaines variables explicatives, à partir de modèles qui utilisent des mesures de probabilité aléatoires.