Différents environnements gravitationnels à 4 dimensions sont abordés dans ce thése : instantons gravitationnels et trous noirs aussi bien en relativité générale qu'en supergravité. La recherche de nouvelles solutions en relativité est un véritable défi. Cette tâche est nettement simplifiée dans l'hypothèse où l'on dispose d'un tenseur de Riemann auto-dual. Ces solutions sont dites instantons gravitationnels. L'évolution des instantons est décrite par un flot géométrique. Ce lien est analysé en détail, en focalisant l'attention sur le rôle du tensor de Ricci dans le flot géométrique. En espace de type Anti-de-Sitter (AdS), trouver de nouveaux trous noirs avec symétrie axiale est une question toujours ouverte. Cette question peut être posée dans le contexte des fluides holographiques. Trous noirs en rotation correspondent à des fluides aux vorticités particulières. En imposant que la solution soit régulière sur l'horizon, le fluide acquiert la forme d'un fluide parfait. Des conditions nécessaires afin que la correspondence entre solution gravitationnelle et théorie hydrodynamique, qui se fait usuellement par un développement perturbatif, puisse être ressommé et pour qu'on puisse trouver des solutions exactes de la relativité ont etées trouvées. Le comptage de l'entropie des trous noirs dans des espaces AdS ne fait toujours pas partie des résultats connus. Dans le cas des solutions en rotation des théories de supergravité N=2, une relation entre trous noirs extremaux non-BPS en espace plat et trous noirs BPS en espace AdS a été mise au point. La connexion entre cettes solutions donne des informations sur le comptage microscopique.

La corde topologique établit un contexte dans lequel beaucoup de caractéristiques de la théorie des cordes complète, comme les aspects complémentaires de la description par la surface d'univers et l'espace cible, ou la dualité entre corde ouverte et corde fermée, mènent à des techniques de calcul qui vont au-delà de la théorie perturbative. Ce mémoire résume mes activités de recherche dans ce domaine. La présentation est organisée autour des calculs de la fonction de partition de la corde topologique Z_top basés sur des perspectives diverses sur la corde topologique.

Increasing ubiquity of computational resources has enabled simulation of complex electronic systems and modern materials. The PAOFLOW software package is a tool designed to construct and analyze tight binding Hamiltonians from the solutions of DFT calculations. PAOFLOW leverages localized basis sets to greatly reduce computational costs of post-processing QE simulation results, enabling efficient determination of properties such as electronic density, band structures in the presence of electric or magnetic fields, magnetic or spin circular dichroism, spin-texture, Fermi surfaces, spin or anomalous Hall conductivity (SHC or AHC), electronic transport, and more. PAOFLOW's broad functionality is detailed in this work, and several independent studies where PAOFLOW's capabilities directly enabled research on promising candidates for ferroelectric and spintronic based technologies are described. Today, Quantum computers are at the forefront of computational information science. Materials scientists and quantum chemists can use quantum computers to simulate interacting systems of fermions, without having to perform the iterative methods of classical computing. This dissertation also describes a study where the band structure for silicon is simulated for the first time on quantum hardware and broadens this concept for simulating band structures of generic crystalline structures on quantum machines.

L’évaluation de la fonction pulmonaire est important pour la réduction des complications radio-induites des traitements de radiothérapie. En effet, plus de 30% des patients souffriront de pneumonie des suites de leur traitement [1]. L’implantation de la fonction pulmonaire dans la planification de traitement pourrait limiter les complications médicales. La ventilation pulmonaire, l’une des deux métriques permettant de caractériser la fonction pulmonaire, est habituellement obtenue à partir de mesures SPECT. Cependant, cette méthode demande d’effectuer des acquisitions de mesure supplémentaires sur les patients. L’objectif de ce projet est de valider l’utilisation de CT 4D afin d’extraire la ventilation pulmonaire. La preuve de concept a été effectuée sur une cohorte de 25 patients atteints de cancer du poumon. Grâce à des recalages déformables effectués à l’aide du logiciel ANTs, la ventilation a été extraite. Les valeurs obtenues ont été comparées à celles déterminées à partir des données de SPECT, analysées par un logiciel clinique nommé Hermès. Une corrélation modérée a été observée, avec un coefficient de Pearson de r =0:59 avec p<0:05. Les valeurs de ventilation obtenues par CT 4D ont été validées par les coefficients de Dice (DC > 0:9), la distance de Hausdorff (HD < 2 mm), le positionnement de marqueurs anatomiques et les valeurs de jacobien des transformations. Des incertitudes provenant de l’acquisition de données et l’initialisation des paramètres des recalages déformables peuvent expliquer ces résultats. / The assessment of pulmonary functionality is of prime importance to avoid radioinduced complications after radiotherapy treatments of lung cancer. Indeed, more than 30% of patients will suffer from a radiation-induced pneumonia following the treatment [1]. Implementing functionality in treatment planning could limit the medical complications. The current community standard for measuring the ventilation - one of the two metrics concerning pulmonary functionality - is SPECT imaging. However, this method requires to perform additional image acquisitions on patients. The objective of this work is to validate an image analysis method that provides deformable image registration allowing us to estimate lung ventilation for each voxel with four-dimensional computed tomography imaging (4DCT). The proof of concept is performed on a cohort of 25 patients with lung cancer. Each patient is required to a 4DCT scan before their radiotherapy treatment. Those scans were processed retroactively with Advanced Normalized Tools (ANTs) registration to evaluate the lungs deformation between the respiratory maxima. A vector field representing the deformation is produced for all voxels. Local behavior is estimated by the Jacobian of those vector fields. The deformation allows us to estimate the lung capacity to contain air, which can be linked to the ventilation. We showed that the values obtained with the 4DCT method are moderately correlated with those obtained by SPECT (r = 0:59; p < 0:05).Those results were validated using Dice coefficients (DC > 0:9), Hausdorff distance (HD < 2 mm) and targets registration error. The results of the lung ventilation obtained by 4DCT and with SPECT scans are moderately correlated. The uncertainties pertaining to data acquisition and deformable registration initialization might explain those differences.

Cette thèse en trois parties regroupe des travaux de recherches sous la thématiques des symétries sous-jacentes aux systèmes intégrables et des structures algébriques qui les encodent. Une première partie illustre comment les fonctions spéciales que sont les polynômes orthogonaux apparaissent dans la théorie de la représentation des diverses structures algébriques associées à des symétries. La seconde partie se concentre sur une généralisation algébrique de l'opérateur de Heun classique menant à de nouvelles structures algébriques qui trouvent des applications en traitement de signal et dans l'étude des systèmes intégrables. La dernière partie concerne l'élaboration d'un cadre théorique dans le langage de la théorie de l'information algorithmique permettant de poser une définition mathématique de la notion d'émergence. / This thesis in three parts groups research work under the theme of the symmetries underlying integrable systems and the algebraic structures that encodes them. A first part illustrates how orthogonal polynomials, a type of special function, appear in the representation theory of various algebraic structures associated to symmetries. The second part focuses on an algebraic generalization of the classical Heun operator that leads to new algebraic structures with applications in signal processing and in the study of integrable systems. The last part concerns the formulation of a framework in the language of algorithmic information theory the enables a mathematical definition for the notion of emergence.

Various anomalous effects that emerge when the interfaces between media are involved in sound-matter or light-matter interactions are studied. The three specific systems examined are a fluid channel between elastic metal plates, a linear chain of metallic perforated cylindrical shells in air, and a metal-dielectric slab with the interfaces treated as finite regions of smoothly changing material properties. The scattering of acoustic signals on the first two is predicted to be accompanied by the effects of redirection and splitting of sound. In the third system, which supports the propagation of surface plasmons, it is discovered that the transition region introduces a nonradiative decay mechanism which adds to the plasmon dissipation. The analytical results are supported with numerical simulations. The outlined phenomena provide the ideas and implications for applications involving manipulation of sound or excitation of surface plasmons.

Le domaine des systèmes de référence quantiques, dont les dernière avancées sont brièvement présentées au chapitre 1, est extrêmement pertinent à la compréhension de la dégradation des états quantiques et de l’évolution d’instruments de mesures quantiques. Toutefois, pour arriver à comprendre formellement ces avancées et à apporter une contribution originale au domaine, il faut s’approprier un certain nombre de concepts physiques et mathématiques, in- troduits au chapitre 2. La dégradation des états quantiques est très présente dans le contrôle d’états utiles à l’informatique quantique. Étant donné que ce dernier tente de contrôler des sys- tèmes à deux états, le plus souvent des moments cinétiques, l’analyse des systèmes de référence quantiques qui les mesurent s’avère opportune. Puisque, parmi les plus petits moments ciné- tiques, le plus connu est de s = 1 et que son état le plus simple est l’état non polarisé, l’étude 2 du comportement d’un système de référence mesurant successivement ce type de moments ci- nétiques constitue le premier pas à franchir. C’est dans le chapitre 3 qu’est fait ce premier pas et il aborde les questions les plus intéressantes, soit celles concernant l’efficacité du système de référence, sa longévité et leur maximum. La prochaine étape est de considérer des états de moments cinétiques polarisés et généraux, étape qui est abordée dans le chapitre 4. Cette fois, l’analyse de la dégradation du système de référence est un peu plus complexe et nous pouvons l’inspecter approximativement par l’évolution de certains paramètres pour une certaine classe d’états de système de référence. De plus, il existe une interaction entre le système de référence et le moment cinétique qui peut avoir un effet sur le système de référence tout à fait comparable à l’effet de la mesure. C’est cette même interaction qui est étudiée dans le chapitre 5, mais, cette fois, pour des moments cinétiques de s = 1. Après une comparaison avec la mesure, il devient manifeste que les ressemblances entre les deux processus sont beaucoup moins apparentes, voire inexistantes. Ainsi, cette ressemblance ne semble pas générale et semble accidentelle lorsqu’elle apparaît. / The field of quantum reference frames, which recent progress is briefly presented in chap- ter 1, is extremely relevant when it comes to understanding the deterioration of quantum states and the evolution of quantum measurement instruments. However, to fully understand these advances and to be able to bring an original contribution to this field, one must first understand a number of concepts in physics and mathematics. These concepts are explained in chapter 2. Since the deterioration of quantum states is very present when controlling useful states in quan- tum computing, and since quantum computing attempts to control two-states systems, often angular momenta, analyzing quantum reference frames proves to be relevant. Having s = 1 as 2 the smallest known angular momentum, and since its simplest state is the unpolarized state, the study of a reference frame behavior that measures successively this type of angular momentums is the first step to be taken (chapter 3). The most interesting questions concern the efficiency of the reference frame, its longevity, and the optimization of these two quantities. The next step is to consider polarized and general angular momentum states (chapter 4). This time, analyzing the deterioration of the reference frame proves to be more complex, and can be examined in an approximate manner by looking at the evolution of certain parameters given for a certain class of states of reference frames. Furthermore, the existence of an interaction between the reference frame and the angular momentum can affect the reference frame approximatively as much as the measuring it does. It is this very interaction that is studied in chapter 5, but this time, for s = 1 angular momenta. Comparing this interaction with the measurement shows very clearly that the similarities between the two processes are a lot less visible than with s = 1 , and 2 even perhaps nonexistent. Therefore, the similarity does not seem to be general and appears to be accidental when it is significant.

Pour décrire les vibrations à l'intérieur des molécules diatomiques, le potentiel de Morse est une meilleure approximation que le système de l'oscillateur harmonique. Ainsi, en se basant sur la définition des états cohérents et comprimés donnée dans le cadre du problème de l'oscillateur harmonique, la première partie de ce travail suggère une construction des états cohérents et comprimés pour le potentiel de Morse. Deux types d’états seront construits et leurs différentes propriétés seront étudiées en portant une attention particulière aux trajectoires et aux dispersions afin de confirmer la quasi-classicité de ces états. La deuxième partie de ce travail propose d'insérer ces deux types d’états cohérents et comprimés de Morse dans un miroir semi-transparent afin d'introduire un nouveau moyen de créer de l'intrication. Cette intrication sera mesurée à l’aide de l’entropie linéaire et nous étudierons la dépendance par rapport aux paramètres de cohérence et de compression. / In order to describe the vibrations inside a diatomic molecule, the Morse potential is a better approximation than the harmonic oscillator system. Thus, based on the definition of the coherent states given in the context of the harmonic oscillator, the first part of this work suggests a construction for the squeezed coherent states of the Morse potential. Two types of states will be constructed and their diverse properties will be studied with special attention to the trajectories and dispersions in order to confirm their quasi-classicity. The second part of this work proposes to insert those two types of Morse squeezed coherent states in a beam splitter in order to introduce a new way of creating entanglement. This entanglement will be measured by the linear entropy and we will study the dependence with the coherence and squeezing parameters.

Les fonctions génératrices des coefficients de Clebsch Gordan pour la superalgèbre de Lie osp(1|2) sont dérivées en utilisant deux approches. Une première approche généralise une méthode proposée par Granovskii et Zhedanov pour l'appliquer dans le cas de osp(1|2), une algèbre dont le coproduit est torsadé. Une seconde approche repose sur la réalisation de osp(1|2) en tant qu'algèbre dynamique d'un oscillateur parabosonique et utilise une équivalence dans cette réalisation entre le changements de coordonnées polaires à cartésiennes et le problème de Clebsch-Gordan. Un chapitre moins formel précède ces dérivations et présente comment le problème de Clebsch-Gordan s'interprète en tant que réalisation d'une algèbre de fusion. La notion abstraite de fusion est introduite, soulignant son importance en physique, pour en venir au cas particulier du problème de Clebsch-Gordan. Un survol du cas de l'algèbre osp(1|2) et de ses utilisations en physique mathématique conclut ce chapitre. / The generating functions for the osp(1|2) Lie superalgebra Clebsch-Gordan coefficients are derived using two approaches. The first one consists of generalizing a method first proposed by Granovskii and Zhedanov to apply it to the case of osp(1|2), an algebra with a twisted coproduct. The second one is based on the realization of the osp(1|2) as the dynamical algebra for a parabosonic oscillator and used an equivalence in this realization between a change of basis from polar to cartesian coordinates and the Clebsch-Gordan problem. A less formal chapter precedes those derivations and present how the Clebsch-Gordan problem can be interpreted as a realization of a fusion algebra. The abstract notion of fusion is introduced, mentionning its importance in physics, and leads to the particular case of the Clebsch-Gordan problem. A brief review of the problem for the osp(1|2) algebra and its uses in mathematical physics concludes this chapter.

L'inflation est responsable des fluctuations de densité primordiales qui sont à l'origine de la formation des grandes structures et qui sont reliées aux fluctuations de température du Fond Diffus Cosmologique (CMB en anglais). Dans cette thèse, nous nous intéressons à un modèle particulier d'inflation, de la classe des modèles avec terme cinétique modifié, l'inflation de Dirac-Born-Infeld (DBI) inspirée de la théorie des cordes. Dans ce scénario, l'inflation est générée par le mouvement d'une brane-test et des particules peuvent être créées pendant l'inflation si des branes piégées sont présentes le long de la vallée inflationnaire. On montrera qu'un tel couplage entre l'inflaton et les champs de matière peut conduire à des spécificités du spectre de puissance primordial, similaires à celles obtenues dans des modèles à la Starobinsky où le potentiel présente des discontinuités ou celles obtenues dans des théories scalaire-tenseur où la fonction de couplage inflaton-matière varie brusquement dans le temps. On insistera sur les conséquences observationnelles de telles théories.