Ce travail de thèse se concentre sur l'approche non-perturbative canonique à la formulation d'une théorie quantique de la gravitation dans le cadre de la Gravitation quantique à boucles (LQG), répondant à deux problèmes majeurs. Dans la première partie, nous étudions la possible quantification, dans le cadre de la LQG, de la gravité en trois dimensions avec constante cosmologique et nous essayons de prendre contact avec autres approches de quantification déjà existantes dans la littérature. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur une application très importante de la LQG: la définition et le comptage des états microscopiques d'un ensemble en mécanique statistique qui fournit une description de l'entropie des trous noirs. Notre analyse s'appuie fortement sur et s'étend à un traitement manifestement SU(2) invariant les travaux fondateurs de Ashtekar et al. / This thesis work concentrates on the non-perturbative canonical approach to the formulation of a quantum theory of gravity in the framework of Loop Quantum Gravity (LQG), addressing two major problems. In the first part, we investigate the possible quantization, in the context of LQG, of three dimensional gravity in the case of non-vanishing cosmological constant and try to make contact with alternative quantization approaches already existing in the literature. In the second part, we concentrate on a very important application of LQG: the definition and the counting of microstates of a statistical mechanical ensemble which provides a description and accounts for the black hole entropy. Our analysis strongly relies on and extends to a manifestly SU(2) invariant treatment the seminal work of Ashtekar et al.

Le comportement collectif des atomes de Rydberg est au cœur de nombreux protocoles d'information quantique, notamment de répéteurs quantiques. Cette thèse traite de deux sujets distincts: la dynamique collective de nuages d'atomes de Rydberg et l'utilisation de répéteurs quantiques dans des réseaux complexes. Dans la première partie, nous étudions un système simple composé d'une chaîne 1D d'atomes de Rydberg couplée à un laser résonnant sur la transition vers un niveau de Rydberg dans le régime contenant quelques excitations. Les atomes de Rydberg sont soumis à une forte interaction dipolaire qui tend à empêcher l'excitation simultanée de deux atomes proches l'un de l'autre. C'est ce phénomène de blocage de Rydberg qui fait des atomes de Rydberg d'éminents candidats pour des protocoles d'information quantique. Ce blocage induit une distribution spatiale particulière des excitations le long de la chaîne d'atomes. Le calcul exact de cette distribution est souvent impossible en pratique même numériquement, et des approximations sont a priori nécessaires:- l'approximation des sphères de Rydberg dures: l'interaction dipolaire est modélisée par une sphère centrée autour de chaque excitation, à l'intérieur de laquelle toute autre excitation est impossible;- l'hypothèse de thermalisation: le système est supposé thermaliser, c'est-à-dire qu'après suffisamment de temps, même sans effets dissipatifs, le système tendra vers un état quasi-thermique qui peut être décrit par la physique statistique et plus précisément l'ensemble microcanonique. Cette thèse présente une étude de la thermalisation d'un ensemble 1D d'atomes de Rydberg et, plus particulièrement, de l'acuité des prédictions de l'ensemble microcanonique en supposant l'hypothèse des sphères dures. Nous avons simulé numériquement la dynamique d'un tel système composé de 100 atomes, dans le régime contenant au plus deux excitations dans l'ensemble. De plus, un modèle analytique à 6 dimensions est présenté. Comparant les trois approches, nous montrons que le modèle analytique corrobore la simulation numérique, tandis que simulation et modèle mis ensemble contredisent les prédictions microcanoniques. Dans ce régime, l'utilisation de cet ensemble est donc inadaptée. La seconde partie de cette thèse porte sur la distribution d'intrication dans un réseau de répéteurs quantiques. Ces derniers devraient permettre la communication quantique de deux parties distantes. Ces répéteurs quantiques sont presque toujours connectés en un réseau linéaire. Dans cette thèse, nous explorons les possibilités offertes par des réseaux arbitraires constitués de ces répéteurs connectant une multitude de clients. Nous avons représenté ces réseaux à l'aide de graphes non orientés. Nous avons étudié deux scénarios de routage:- le routage classique d'intrication qui corresponds au cas où des clients, très limités par leurs dispositifs quantiques, souhaitent partager des paires intriqués. Sur ces réseaux, les problèmes de communication sont équivalents à des problèmes de chemins disjoints. Lorsque les clients souhaitant communiquer ensemble (les terminaux) sont choisis par un adversaire, nous avons obtenu deux bornes: l'une proportionnelle au genre topologique, et l'autre au degré minimal du graphe. Nous proposons deux architectures de réseau saturant la plus contraignante, celle due au degré minimal. D'autre part, lorsque les clients sont répartis dans un espace à 2-3 dimensions, nous avons montré une limitation géométrique sur la fraction de clients pouvant communiquer simultanément.- le routage quantique utilisant le codage de réseau, qui correspond au cas où le réseau quantique est composé de petits processeurs quantiques capable d'effectuer des opérations locales. Nous avons étudié un problème de communication, le réseau papillon, où le routage classique de l'intrication entre deux paires de clients est impossible. Grâce au codage de réseau, nous avons résolu ce problème de communication. / The collective behavior of Rydberg gases is at the heart of many proposals for quantum information. This thesis treats two distinct topics: the collective dynamic of a Rydberg ensemble and the use of quantum repeaters across quantum networks.In the first part of this thesis, we choose to focus on a simple system involving Rydberg atoms: a 1-dimensional Rydberg gas coupled to a laser resonant with the Rydberg transition. Rydberg atoms interact together through the dipole-dipole interaction. This particular feature is used for quantum information purposes, like applying multi-qubits gates for example. This interaction is strong enough so that the dynamic of such system in the regime of few excitations in the gas ensemble is already intractable without any assumptions. One of them is the hardcore Rydberg sphere assumption: we approximate this interaction by a sphere around each excitation inhibiting any second excitation within it. Another one is to suppose that the system thermalizes in such regime; a statistical treatment could then be applied. We have investigated the thermalization of a 1D-Rydberg gas and evaluated the accuracy of the microcanonical ensemble predictions under the first assumption. To do so, we have numerically simulated the dynamic of such system constituted by 100 atoms, in the regime of at most two excitations in the chain, in the initial excitation-less state. Furthermore, we constructed a 6-dimensional analytical model. Comparing the three approaches together, we have concluded that the numerical simulation and the analytical model both agree together but contradicts the microcanonical treatment. In this regime, the microcanonical ensemble is unadapted.In the second part of this thesis, we have studied the distribution of entanglement across a generic quantum network. We have mapped these quantum networks to undirected graphs and studied two different routing scenarios:- the classical routing of quantum entanglement corresponding to the scenario where clients of the network can perform only a single Bell measurement or keep a single qubit. This is the usual model of quantum repeaters. On these networks, peer-to-peer communication problems are equivalent to the vertex disjoint path problem. When the peers are chosen by an adversary, we have found two limitations due to the topological genus and the minimum degree of the graph. We have found two network architectures (almost) saturating the most constraining one, the minimum degree inequality. For the case where the peers are chosen at random, we have studied a specific graph lying in a 2- or 3-dimensional manifold and investigated the trade-off between the quantum links and the number of peers that can communicate simultaneously through the network.- true quantum routing problem (using network coding) corresponding to the situation where the quantum network is composed by small quantum processors that could apply local gates. We focus on a particular communication problem, namely the butterfly network, where classical routing is impossible. Using network coding, this communication is solved.

Aujourd’hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d’accès et l’augmentation constante du volume de données échangées imposent l’apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu’à présent l’utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d’un effet d’électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l’indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L’utilisation d’un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d’obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès. La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d’un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d’un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.Le champ d’application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L’approche basée sur l’optique intégrée est aussi très prometteuse pour l’identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d’absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L’utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d’ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d’onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 µm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 µm en polarisation TE et d’une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 µm et est seulement limité par la plage de longueurs d’ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées. / Today optical interconnects have overpassed wires on long, mid and short distances on the telecommunication field. Silicon photonics have known such a development that even inter and intra chip communications progressively become optical. However, the multiplication of data access terminals and the constant increase of data consumption force new components with even lower power consumption to appear. In this context, low power consumption components based on Ge/SiGe quantum wells have been developed. Until now, the use of Ge/SiGe quantum wells has been only limited to electroabsorption modulators. The first part of my thesis was dedicated to the study of a new kind of active region based on coupled Ge/SiGe quantum wells. This work led to the demonstration of giant electrorefractive effect in these structures. The active region based on coupled quantum wells gives a refractive index variation of 2.3×10-3 under a bias of only 1.5 V. The use of this effect for the development of integrated optical modulators needed the development of main building blocks to obtain interferometric structures. Compact bends and Mach Zehnder interferometers have been designed, fabricated and successfully characterized. The sensitivity to the polarization of these structures was evaluated with numerical simulations and polarization insensitive structures were designed. Then, an integrated electrorefractive modulator has been designed and fabricated which needed the development of a new technological process. The first charaterization results are presented. The perspectives of this work are the realization of an efficient modulator with switching voltage lower than 2V. The field of application of photonic integrated circuits is not only limited to the telecommunications. The approach based on integrated optics is also very promising for the identification and analysis of surrounding chemical species. Mid infrared spectral region is particularly suitable for this purpose as it contains specific absorption fingerprints of different chemical species. The use of photonic integrated circuits on silicon substrate allows to develop performant, compact and low cost spectroscopic systems. The second part of my thesis was focused on the development of wideband photonic platform based on Ge-rich Si1-xGex waveguides. Wideband waveguides between 5.5 and 8.5 µm were experimentally demonstrated which made possible the developpement of more complex structures such as MMIs or ultra-wideband Mach Zehnder interferometers. The same device has a theoretical bandwidth of 3.5 µm in TE polarization and of one octave in TM polarization. The operation was experimentally demonstrated between 5.5 and 8.6 µm and is only limited by laser spectral range. This work paves the way for future development of ultra-wideband spectroscopic systems on Ge-rich Si1-xGex platform. The last part of this work concerned second harmonic generation in Ge/SiGe quantum wells for mid infrared spectroscopic systems. First test devices have been designed and fabricated

Les microcavités à semiconducteurs apparaissent aujourd’hui comme une plateforme particulièrement propice à l’étude des fluides quantiques en interactions. Dans ces cavités, la lumière et les excitations électroniques sont confinées dans de petits volumes et leur couplage est rendu si fort que les propriétés optiques sont gouvernées par des quasi-particules hybrides lumière-matière appelées polaritons de cavité. Ces quasi-particules se propagent comme des photons, mais interagissent avec leur environnement via leur partie matière. Elles peuvent occuper massivement un même état quantique et se comporter comme une onde macroscopique cohérente et non-linéaire. On parle alors de fluide quantique de lumière. Dans cette thèse, nous étudions la dynamique de fluides quantiques de polaritons dans différentes microstructures unidimensionnelles. La technologie de gravure de microcavités planaires, développée au C2N, permet de réaliser une ingénierie complète du potentiel dans lequel nous générons ces fluides de polaritons et d’implémenter des géométries complexes. Dans une première partie, nous avons étudié les propriétés de localisation des états propres de réseaux synthétiques quasi-périodes. L’exploration théorique du diagramme de phase de localisation des modes propres a dévoilé une nouvelle transition de type délocalisation-localisation lors d’une déformation originale d’un quasi-cristal, transition que nous avons pu observer expérimentalement. Une deuxième partie de la thèse est consacrée à l’étude de la dynamique non-linéaire de deux fluides contra-propageant dans un canal unidimensionnel. La compétition entre énergie cinétique et énergie d’interactions conduit alors à l’apparition de solitons sombres, dont le nombre discret et la position peuvent être contrôlés optiquement. Nous avons mis en évidence une bistabilité contrôlée par la différence de phase imprimée sur les deux fluides. La dernière partie du travail concerne l’étude des non-linéarités pour un fluide de polaritons occupant une bande plate. L’énergie cinétique du fluide y est nulle, si bien que sa propagation est gelée. Nous observons alors la formation de domaines non-linéaires de taille quantifiée. Ce travail ouvre des perspectives prometteuses, tout particulièrement pour l’exploration de phases topologiques de bosons en interactions. De plus, augmenter les interactions permettrait d’utiliser notre plate-forme comme un simulateur quantique. / Semiconductor microcavities have emerged as a powerful platform for the study of interacting quantum fluids. In these cavities, light and electronic excitations are confined in small volumes, and their coupling is so strongly enhanced that optical properties are governed by hybrid light-matter quasiparticles, known as cavity polaritons. These quasiparticles propagate like photons and interact with their environment via their matter part. They can macroscopically occupy a single quantum state and then behave as an extended coherent nonlinear wave, i.e. as a quantum fluid of light. In this thesis, we study the nonlinear dynamics of polariton quantum fluids in various one-dimensional microstructures. The possibility to etch microstructures out of planar cavities, a technology developed at C2N, allows full engineering of the potential landscape for the polariton fluid, and implementing complex geometries. In a first part, we have studied the localization properties of the eigenstates in synthetic quasiperiodic lattices. Theoretical exploration of the localization phase diagram revealed a novel delocalization-localization transition in an original deformation of a quasicrystal and we have experimentally evidenced this transition. A second part of the thesis is dedicated to the study of the nonlinear dynamics of two counterpropagating polariton fluids in a one-dimensional channel. The interplay between kinetic and interaction energy is responsible for the formation of dark solitons, whose number and position can be controlled by optical means. We have evidenced a bistable behaviour controlled by the phase twist imprinted on the two fluids. The last part of this work addresses the study of nonlinearities for a fluid injected in a flat band. Therein, the kinetic energy of the fluid is quenched, so that propagation is frozen. We then observe the formation of nonlinear domains with quantized size. This work opens us exciting perspectives, specifically towards the exploration of topological phases of interacting bosons. Enhancing interactions would also allow using our platform for quantum simulation.

Ce mémoire de thèse est consacré à l’étude et au développement des hétérostructures semi-conductrices à base de GaN et ZnO. Ces matériaux sont particulièrement prometteurs pour le développement de composants optoélectroniques inter-sous-bandes infrarouges et notamment pour les dispositifs à cascade quantique. Ces semiconducteurs possèdent en effet plusieurs avantages pour la conception de dispositifs à cascade, tels qu’une grande discontinuité de potentiel en bande de conduction et une énergie du phonon LO très élevée. Ces propriétés se traduisent par la possibilité de développer des dispositifs couvrant une gamme spectrale allant du proche-infrarouge au térahertz et offrent la possibilité de réaliser des lasers à cascade quantique térahertz fonctionnant à température ambiante. / This manuscript focuses on the study and on the development of semiconductor heterostructures based on GaN and ZnO material. These materials are particularly promising for the development of infrared optoelectronic intersubband devices in particular for quantum cascade devices. These semiconductors own several advantages to design quantum cascade devices such as a large conduction band offset and a large energy of the LO phonon. These properties predict the possibility to develop devices covering a large spectral range from near-infrared to terahertz and offer the possibility to realize terahertz quantum cascade lasers operating at room temperature.

Les nouvelles exigences du diagnostic clinique et de la thérapeutique, particulièrement en termes d’examens au chevet du patient et en médecine de précision, ont conduit à une demande croissante d’analyses à la fois multiplexées et présentant un rendement important, et ce d’un grand nombre de biomolécules au sein d’un échantillon unique. La thèse se concentre sur le développement de biosenseurs multiplexés basés sur le transfert d’énergie par résonance de type Förster résolu en temps de complexes de lanthanide vers des colorants organiques ou des boîtes quantiques. Je présente plusieurs techniques novatrices permettant la détection simultanée et multiplexée de protéines biomarqueurs du cancer (récepteur du facteur de croissance épidermique) ou de microARNs (hsa-miR-20a-5p, hsa-miR-20b-5p et hsa-miR-21-5p) avec de très faibles limites de détection. J’ai utilisé différentes stratégies afin d’obtenir des détections multiplexées telles la détection multiplexée spectrale basée sur les différents spectres d’émission de différents luminophores, et la détection multiplexée temporelle basée sur les durées de vie distinctes des états excités des luminophores. Ces travaux ne sont pas seulement une recherche appliquée qui peut être utilisée en diagnostic clinique, mais constituent également une recherche fondamentale sur le FRET résolu en temps qui ouvre de nouvelles perspectives de détection et augmente considérablement le nombre de biomarqueurs pouvant être détectés. / The new mission of clinical diagnostics and therapeutics, especially in point-of-care testing and precision medicine, has led to an increasing demand for multiplex and high throughput analyses of large numbers of biomolecules within a single sample. The thesis focuses on developing multiplexed biosensors based on time-resolved Förster resonance energy transfer from lanthanide complexes to organic dyes or quantum dots. I present several new techniques to simultaneously and multiplexed detect cancer related protein biomarkers (human epidermal growth factor receptor) or microRNAs (hsa- miR-20a-5p, hsa-miR-20b-5p and hsa-miR-21-5p) with very low limits of detections. I have used different strategies to achieve multiplexed detections such as spectral multiplexed detection based on different emission spectra of different luminophores, and temporal multiplexed detection based on distinguishable excited-state lifetimes of luminophores. The work is not only an applied research that can be used in clinical diagnostics but also a fundamental research of time-resolved FRET, which opens a new dimension of detection and greatly increases the number of biomarkers that can be detected.

Le multiplexage optique basé sur des nanoparticules offre de nombreux avantages pour la biodétection et l'imagerie à multiparamètres. Toutefois, les modifications apportées à un paramètre entraînent également la modification d’autres paramètres. Par conséquent, la couleur, la durée de vie ou l’intensité ne peuvent pas être utilisées, respectivement, comme paramètre indépendant. Cette thèse peut être divisée en deux aspects. Le premier concerne le développement d'un multiplexage à une seule nanoparticule avec un temps résolu, basé sur le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) des complexes de lanthanides aux points quantiques (QD) et ensuite aux colorants fluorescents. Une investigation systématique de toutes les différentes combinaisons avec une large gamme de donneurs et d'accepteurs sur le QD est présentée, et les résultats expérimentaux sont comparés à la modélisation théorique. Le résultat ne contribue pas seulement à une compréhension complète de ces voies de transfert d'énergie compliquée entre multi donneurs / accepteurs sur des nanoparticules, mais offre également la possibilité d'utiliser les modèles pour développer de nouvelles stratégies permettant de préparer le QD avec une couleur, une durée de vie et une intensité réglables de manière indépendante. Le deuxième aspect porte sur le mécanisme de transfert d'énergie du Tb à la nanoparticule d'or (AuNP). Le transfert d'énergie par nanosurface (NSET) s'est révélé être un mécanisme opérationnel pour l'extinction des PL par les AuNP, une information importante pour le développement, la caractérisation et l'application de nanobiocapteurs basés sur l'extinction des PL par les AuNP. / Optical multiplexing based on nanoparticles provides many advantages for multiparameter biosensing and imaging. However, the changes in one parameter also lead to changing of other parameters, and thus, color, lifetime, or intensity could not be used as an independent parameter, respectively. This thesis can be divided into two aspects. The first one focuses on developing time-resolved single-nanoparticle multiplexing based on Förster resonance energy transfer (FRET) from lanthanide complexes to quantum dot (QD) to fluorescent dyes. Systematical investigation of all different combinations with a broad range of numbers of donors and acceptors on QD are presented, and the experimental results are compared with theoretical modelling. The result do not only contribute to a full understanding of such complicated multi donor-acceptor energy transfer pathways on nanoparticles but also open the opportunity to use the models for developing new strategies to achieve the QD with independent tunable color, lifetime and intensity. The second aspect focuses on the energy transfer mechanism from Tb to gold nanoparticle (AuNP). Nanosurface energy transfer (NSET) proved to be an operational mechanism in PL quenching by AuNPs, which is important information for the development, characterization, and application of nanobiosensors based on PL quenching by AuNPs.

Cette thèse porte sur l'étude des effets quantiques en dynamique moléculaire (DM). La DM est une méthode numérique qui permet l'étude des propriétés de la matière condensée. Cependant, la méthode étant basée sur la mécanique classique, les effets quantiques associés à la dynamique des noyaux, tels que l'énergie de point zéro ou l'effet tunnel, ne sont pas pris en compte. Ces effets quantiques nucléaires peuvent cependant jouer un rôle majeur, en particulier aux basses températures et/ou dans les systèmes contenant des atomes légers comme l'hydrogène. La dynamique moléculaire par intégrales de chemins (PIMD) est souvent utilisée, dans ce cas, pour tenir compte de la nature quantique des noyaux. Cette approche fournit des résultats quantiques exacts, mais son coût en temps de calcul élevé limite son domaine d'application. La méthode du bain thermique quantique (QTB) a été proposée comme une alternative à la PIMD. L'approche QTB est particulièrement intéressante car son coût en temps de calcul est équivalent à celui de la DM standard permettant ainsi l'étude de systèmes complexes et de plus grande taille.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la méthode QTB. Nous avons étudié le comportement de la méthode sur différents systèmes modèles afin d'étudier ses limites. En particulier, le problème du "zero point energy leakage" est étudié en détail et nous montrons que l'augmentation du coefficient de friction du QTB permet de limiter ce problème. Nous avons également développé une combinaison de la méthode QTB avec la méthode PIMD. Cette méthode combinée QTB-PIMD permet de réduire le coût en temps de calcul des simulations PIMD standards.Dans une deuxième partie, nous avons utilisé ces méthodes pour étudier la conduction de l'hydrogène dans des matériaux pérovskites. Nous nous intéressons d'abord à l'impact des effets quantiques sur la diffusion de l'hydrogène dans BaZrO3, un matériau d'électrolyte potentiel pour piles à hydrogène. L'hydrogène étant l'élément le plus léger, un impact important des effets quantiques est attendu. Nous trouvons que les effets quantiques sont effectivement importants à basse température, mais leur impact sur la diffusion reste faible aux températures de fonctionnement typiques des piles à hydrogène. Enfin, nous avons étudié les mécanismes de diffusion de l'hydrogène dans GdBaCo2O5.5. Nous mettons en évidence une diffusion anisotrope dans ce matériau et deux mécanismes principaux de diffusion. / This thesis deals with the study of quantum effects in molecular dynamics (MD). MD is a powerful numerical method to investigate the properties of condensed matter systems. However, since the method is based on classical mechanics, quantum effects associated with the dynamics of the nuclei, such as zero-point energy or tunnelling, are not taken into account. These nuclear quantum effects can, however, play a major role in particular at low temperatures and/or in systems containing light atoms such as hydrogen. In these cases, a standard way to account for the quantum nature of the nuclei is to use path integral molecular dynamics (PIMD). This method provides exact quantum results however its high computational cost limits its range of applicability. The quantum thermal bath (QTB) method has been proposed as an alternative to PIMD. The QTB method is particularly appealing because of its computational cost that is equivalent to standard MD thus allowing to study large and complex systems.The first part of this thesis is devoted to the study of the QTB method. We have studied the behavior of the method in selected model systems in order to investigate its limitations. We have focused, in particular, on the zero-point energy leakage problem and found that increasing the friction coefficient of the QTB can significantly limit this problem. We also have developed another way to use the QTB method by combining it with PIMD. This combined QTB-PIMD method allows, in particular, to decrease the computational cost of standard PIMD simulations.In a second part, we have used these methods to study hydrogen conduction in perovskite materials. We have first investigated the impact of quantum effects on the diffusion of hydrogen in BaZrO3, a potential electrolyte material for hydrogen fuel cells. Since hydrogen is the lightest element, we expect quantum effects to have a significant impact on its dynamics. We find that quantum effects are indeed significant at low temperatures although their impact on the diffusion remains low at the typical working temperatures of hydrogen fuel cells. Finally, we have investigated the diffusion mechanisms of hydrogen in GdBaCo2O5.5. We evidence that the diffusion is anisotropic in this material and two main diffusion mechanisms.

Le contrôle des états quantiques de la lumière est une étape nécessaire pour la transmission et le traitement quantiques des informations. Un nuage d'atomes froids constitue un milieu optiquement non-linéaire très intéressant pour créer et manipuler des états photoniques. Le sujet de cette thèse est l'étude expérimentale de telles non-linéarités, induites entre des photons optiques par leur couplage avec des atomes de Rydberg. Les états de Rydberg sont des états atomiques très excités (n>30), qui permettent de créer des interactions photon-photon par l'intermédiaire de leurs interactions dipôle-dipôle à longue distance (>10µm). Nous utilisons une cavité de faible finesse pour transformer ces interactions en effets observables sur un faisceau de très faible intensité, ce qui peut permettre de produire des états non-classiques de lumière. / The control of quantum states of light is a necessary step for quantum information transportation and processing. Cold atomic memories are one of the prime candidates for storing and manipulating photonic states. This thesis is a study of optical non-linear effects created using Rydberg states. Rydberg states are highly excited states (n>30) of atoms, which are useful in realizing photon-photon interactions because of their long distance (>10µm) dipole-dipole interactions. We utilize a low finesse cavity to transform phase shifts into intensity correlations which would allow one to generate arbitrary non-classical states of light

Ce travail de thèse a été consacré à la photostructuration d'une matrice polymère de type acrylate contenant des points quantiques CdSe/ZnS (QDs) par l'enregistrement de réseaux. La diffusion photoinduite des nanocristaux semi-conducteurs a tout d'abord été mise en évidence par l'utilisation d'un montage permettant d'irradier sur une seule ligne, et par l'émission de fluorescence des QDs utilisée ici comme sonde de déplacement. Ensuite, pour comprendre l'augmentation de la modulation d'indice de réfraction, et par conséquent du rendement de diffraction des réseaux enregistrés dans ces matériaux composites, nous avons mis en place une approche physico-chimique. Celle-ci nous a permis de corréler les modifications chimiques et les propriétés physiques du réseau. En effet, nous avons montré que l'ajout de points quantiques influence la cinétique de polymérisation ; la vitesse de consommation du photosensibilisateur et de conversion des monomères diminuent. Cette diminution permet une meilleure diffusion des espèces au sein de la matrice. Donc, le ralentissement de la cinétique de photopolymérisation et la répartition spatiale des QDs contribuent à un accroissement de la modulation d'indice de réfraction des réseaux enregistrés.