Thèse--Théologie--Groningen. / Bibliogr. p. 291-316. Index.

Habilitationsschrift--Hamburg.

Th.--Sci. phys.--Paris 11--Orsay, 1985. N°: 42.

Diss.--Universität Frankfurt (Main), 1994. / Bibliogr. p. 283-292.

Dans cette thèse, nous avons étudié quelques aspects fondamentaux de la gravitation quantique à boucles (Loop Quantum Gravity ou LQG). Tout d'abord, nous avons discuté le choix de la représentation polymère dans ce programme de quantification de la relativité générale. Pour cela, nous avons considéré la corde bosonique comme modèle-jouet sur lequel on peut tester les méthodes de quantification de la LQG. Dans cette optique, nous avons introduit et étudié une formulation originale de la corde bosonique, dite corde algébrique. Ensuite, nous nous sommes intéressé au problème important du choix de la jauge temporelle en LQG. Ce choix permet de passer d'un groupe de jauge non-compact (le groupe de Lorentz) à un groupe de jauge compact (le groupe des rotations) et ainsi d'obtenir un spectre discret des opérateurs de géométrie. Nous avons montré qu'il est possible de ne pas faire le choix de la jauge temporelle, de pouvoir quantifier malgré tout la théorie et de retrouver un spectre discret des opérateurs de géométrie même avec un groupe de jauge non-compact. Enfin, nous nous sommes attaché à comprendre le lien entre les approches canonique et covariante afin de tester la validité du nouveau modèle de mousse de spins introduit par Engle, Peireira, Rovelli et Livine (EPRL). / No summary available

Les résultats de mesures quantiques sont généralement considérés comme aléatoires, mais leur nature aléatoire, malgré son importance dans la théorie de l’information quantique, est mal comprise. Dans cette thèse, nous étudions plusieurs problèmes liés à l’origine et la certification de l’aléatoire et l’imprévisibilité quantique. L’un des résultats clés dans la formation de notre compréhension de la mécanique quantique comme théorie intrinsèquement indéterministe est le théorème de Kochen et Specker, qui démontre l’impossibilité d’attribuer simultanément, de façon cohérente, des valeurs définies et non-contextuelles à chaque observable avant la mesure. Cependant, si nous présumons qu’une observable à valeur définie doit être non-contextuelle, alors lethéorème ne montre que le fait qu’il existe au moins une observable à valeur indéfinie. Nous renforçons ce résultat en démontrant une variante du théorème de Kochen et Specker qui montre que si un système est préparé dans un état quelconque j i, alors chaque observable A est à valeur indéfinie sauf si j i est un état propre de A. La nature indéterministe de la mesure quantique n’explique pas bien la différence de qualité entre l’aléatoire quantique et classique. Soumise à certaines hypothèses physiques, nous montrons qu’une suite de bits produite par la mesure des observables à valeurs indéfinies est garantie, dans la limite infinie, d’être fortement incalculable. De plus, nous discutons comment utiliser ces résultats afin de construire un générateur quantique de nombres aléatoires qui est certifié par des observables à valeurs indéfinies. Dans la dernière partie de cette thèse, nous étudions la notion d’imprévisibilité, qui est au coeur du concept d’aléatoire (quantique). Ce faisant, nous proposons un modèle formel de (im)prévisibilité qui peut servir à évaluer la prévisibilité d’expériences physiques arbitraires. Ce modèle est appliqué aux mesures quantiques afin de comprendre comment la valeur indéfinie et la complémentarité quantique peuvent être utilisées pour certifier différents degrés d’imprévisibilité, et nous démontrons ainsi que le résultat d’une seule mesure d’une observable à valeur indéfinie est formellement imprévisible. Enfin, nous étudions la relation entre cette notion d’imprévisibilité et la certification de l’incalculabilité des suites aléatoires quantiques. / The outcomes of quantum measurements are generally considered to be random, but despite the fact that this randomness is an important element in quantum information theory, its nature is not well understood. In this thesis, we study several issues relating to the origin and certification of quantum randomness and unpredictability. One of the key results in forming our understanding of quantum mechanics as an intrinsically indeterministic theory is the Kochen-Specker theorem, which shows the impossibility to consistently assign simultaneous noncontextual definite values to all quantum mechanical observables prior to measurement. However, the theorem, under the assumption that any definite values must be noncontextual, only strictly shows that some observables must be value indefinite. We strengthen this result, proving a stronger variant of the Kochen-Specker theorem showing that, under the same assumption, if a system is prepared in an arbitrary state j i, then every observable A is value indefinite unless j i is an eigenstate of A. The indeterministic nature of quantum measurements does little to explain how the quality of quantum randomness differs from classical randomness. We show that, subject to certain physical assumptions, a sequence of bits generated by the measurement of value indefinite observables is guaranteed, in the infinite limit, to be strongly incomputable. We further discuss how this can be used to build a quantum random number generator certified by value indefiniteness. Next, we study the notion of unpredictability, which is central to the concept of (quantum) randomness. In doing so, we propose a formal model of prediction that can be used to asses the predictability of arbitrary physical experiments. We investigate how the quantum features of value indefiniteness and complementarity can be used to certify different levels of unpredictability, and show that the outcome of a single measurement of a value indefinite quantum observable is formally unpredictable. Finally, we study the relation between this notion of unpredictability and the computability-theoretic certification of quantum randomness.

L’imagerie fantôme (IF) qui a été développée dans des années 1980, est une nouvelle et prometteuse technique d’imagerie utilisant des fluctuations classiques ou quantiques de lumière. Cette technique a certains avantages par rapport à des méthodes d’imagerie traditionnelle et elle trouve aujourd’hui de nombreuses applications dans l’imagerie diffractive par des rayons X, la télédétection, ou l’imagerie biomédicale. L’inconvénient de l’IF est qu’elle demande un assez grand nombre de mesures et un traitement des données très extensif pour arriver à une bonne qualité des images. Pour augmenter l’efficacité de cette technique on a besoin de l’information a priori sur l’objet ou le dispositif optique. La parcimonie d’objets comme l’information a priori a été déjà utilisée dans le traitement d’images. Dans cette thèse nous allons introduire la notion de la parcimonie comme l’information a priori dans l’imagerie fantôme et étudier l’amélioration des performances de l’IF grâce à cette information. Nous allons aussi faire les premiers pas dans l’étude des limites quantiques de la super-résolution des objets parcimonieux. / Ghost Imaging (GI), which was developed from 1980s, is a novel and promising imaging technique based on classical or quantum correlation of the light. It has several advantages over the conventional imaging techniques and nowadays finds many practical applications in X-ray diffraction imaging, remote sensing, or biomedical imaging. The drawback of traditional GI is a large number of measurements and extensive information processing needed for a good quality of images. To improve the imaging efficiency and the image quality GI requires a priori information about the object or the imaging scheme. Sparsity of the objects has been used for a while as a priori information in signal processing. In this thesis we will introduce the sparsity a priori information of the object into the GI and study the improvement of its performance. We will also make first steps towards the quantum limits of super-resolution of sparse optical objects.

Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique, pour d’étudier certains aspects nouveaux de de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportons ainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matières atomiques, d’un phénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour à l’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis de diagnostique de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor. Cela nous permet de créer un système désordonné dans lesquel il existe un flux Aharonov-Bohm artificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briser la symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Anderson dans deux classes d’universalités différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nous avons investigué l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés des systèmes désordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsi pour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemment prédit, qui constitue un nouveau marqueur interférientiel de la localisation d’Anderson. Nous mettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentales des fonctions d’échelles (G), dans les deux classes de symétries et nous démontrons leur universalité. / In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigm of quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems.We thus present the first experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked to weak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect can be used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel, outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the Kicked Rotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificial Aharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break the time reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two different symmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effect of this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking two signatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, the Coherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuine signature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreement with theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of the (G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetry classes and we demonstrate their universality.

Depuis les années 80, les nanocristaux (NCs) semi-conducteurs sont devenus très attractifs à cause d’énormes potentiels qu’ils représentent en termes d’applications technologiques. En effet, lorsque les dimensions d’un matériau deviennent inférieures ou comparables à la dimension caractéristique (rayon de Bohr) des porteurs de charges, les effets de confinement quantique conduisent à l’apparition de nouvelles propriétés physico-chimiques qui dépendent de la taille, la forme... Les NCs de chalcogénures de plomb possèdent des constantes diélectriques élevées et sont des matériaux de choix pour étudier les effets de confinement sur les propriétés des NCs dans le régime de confinement fort. Dans la première partie de cette thèse, les résultats obtenus sur la synthèse des NCs de PbSe et de PbSe/CdSe sont présentés. De taille très mono disperse et possédant une structure cristalline parfaite, ces NCs ont été synthétisés par voie colloïdale. Par la suite, les propriétés physico-chimiques de ces NCs ont été étudiées par diverses techniques de caractérisation (microscopies électroniques, diffraction des rayons X  (XRD), diffraction électronique (SAED), spectroscopies Raman, absorption proche infrarouge et photoémission (UPS/XPS). Enfin, à l’aide des techniques de dépôts comme le Langmuir-Blodgett, des films minces de NCs de PbSe et de PbSe/CdSe ont été fabriqués. En utilisant un rayonnement synchrotron, la discontinuité des bandes dans les hétéro-nanostructures de PbSe/CdSe a été déterminée par XPS. Les résultats montrent un changement irréversible de la nature des NCs de PbSe/CdSe lors d’une irradiation prolongée de l’échantillon par un faisceau synchrotron. / The tunability of electronic and optical properties of semiconductor nanocrystal (NC) is an important matter in nanotechnology because of their multiple potential applications in optoelectronics such as solar cells, nanotransistors, light emitters, biological markers…Core/shell QDs which are heterogeneous NCs have attracted increasing attention over the past decade, especially because of their enhanced photoluminescence properties and the possibility to create spatially separated excitons by means of a staggered core/shell band alignment. We studied lead chalcogenide NCs because of their unique physical properties which are very different from those of their corresponding bulk materials. Their high dielectric constant (ε∞=23 for PbSe) and the small effective masses of their electron and hole, create excitons with a relatively large effective Bohr radii. These properties lead to a strong confinement of the charge carriers and phonons., thus making them them promising building blocks for a wide number of applications. In the first part of this work, PbSe and PbSe/CdSe NCs with a narrow size distribution and high structural quality have been synthesized, using a colloidal route. Characterizations have been performed using several techniques (electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), electron diffraction (SAED), photoemission (XPS/UPS), Raman and absorption spectroscopic measurements).By using deposition techniques such as Langmuir-Blodgett deposition, homogenous, compact thin films of PbSe and PbSe/CdSe NCs have been fabricated. UPS/XPS measurements performed with synchrotron radiations give the valence band offset between the core and the shell of these core/shell NCs.

La maitrise de l’information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n’est actuellement pas possible d’échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu’il est possible d’atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l’information. Ce protocole se base sur l’utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l’amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l’utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu’hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d’un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 µs, ce qui permet d’envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande. / The control of information is a competitive advantage today. Despite an intensification of the means developed to protect the data stream, it is currently not possible to exchange remotely and in a completely safe way information between two parties. However, the work of Bennett and Brassard have shown that it is possible to achieve a maximum level of security using a protocol for transmitting quantum information. This protocol is based on the use of telecom networks using quantum repeaters in place of conventional repeaters.The route studied in this thesis, carried out partly in the framework of the European Project QuRep, aims to improve knowledge on single crystals doped with rare earth ions that are good candidates for the development of quantum repeaters. Two main areas emerged: on the one hand, we tried to understand the success and limiting factors regarding the use of Nd : YSO single crystal as host for quantum memories. The objective was also to transfer the coherence from an electronic Zeeman level to the hyperfine levels. In a second step, we studied a crystal with a hyperfine structure directly accessible in optics, Er : YLF to assess its potential use for quantum memories. Among other things, we achieved the transfer of coherence from a Zeeman level to an hyperfine level with a storage time of over 300 microseconds, which allows to consider the development an on demand readout quantum memory in Nd : YSO.