La gravité quantique à boucles a fourni un cadre d’étude particulièrement bien adapté aux théories de jauge définies sans métrique fixe et invariante sous difféomorphismes. Les excitations fondamentales de cette quantification sont appelées réseaux de spins, et dans le contexte de la relativité générale donnent un sens à la géométrie quantique au niveau canonique. Les mousses de spins constituent une sorte d’intégrale de chemins adaptée aux réseaux de spins, et donc destinée à permettre le calcul des amplitudes de transition entre ces états. Cette quantification est particulièrement efficace pour les théories des champs topologiques, comme Yang-Mills 2d, la gravité 3d ou les théories BF, et des modèles ont aussi été proposés pour la gravité quantique en dimension 4.Nous discutons dans cette thèse différentes méthodes pour l’étude des modèles de mousses de spins.Nous présentons en particulier des relations de récurrence sur les amplitudes de mousses de spins. De manière générique, elles codent des symétries classiques au niveau quantique, et sont susceptible de permettre de faire le lien avec les contraintes hamiltoniennes. De telles relations s’interprètent naturellement en termes de déformations élémentaires sur des structures géométriques discrètes, telles que simplicielles. Une autre méthode intéressante consiste à explorer la façon dont on peut réécrire les modèles de mousses de spins comme des intégrales de chemins pour des systèmes de géométries sur réseau, en s’inspirant à la fois des modèles topologiques et du calcul de Regge. Cela aboutit à une vision très géométrique des modèles, et fournit des actions classiques sur réseau dont on étudie les points stationnaires. / Loop quantum gravity has provided us with a canonical framework especially devised for back-ground independent and diffeomorphism invariant gauge field theories. In this quantization the funda-mental excitations are called spin network states, and in the context of general relativity, they give ameaning to quantum geometry. Spin foams are a sort of path integral for spin network states, supposed to enable the computations of transition amplitudes between these states. The spin foam quantization has proved very efficient for topological field theories, like 2d Yang-Mills, 3d gravity or BF theories. Different models have also been proposed for 4-dimensional quantum gravity.In this PhD manuscript, I discuss several methods to study spin foam models. In particular, I present some recurrence relations on spin foam amplitudes, which generically encode classical symme-tries at the quantum level, and are likely to help fill the gap with the Hamiltonian constraints. These relations can be naturally interpreted in terms of elementary deformations of discrete geometric struc-tures, like simplicial geometries. Another interesting method consists in exploring the way spin foam models can be written as path integrals for systems of geometries on a lattice, taking inspiration from topological models and Regge calculus. This leads to a very geometric view on spin foams, and gives classical action principles which are studied in details.

Cette thèse présente des développements de méthodes applicables au traitement théorique de réseaux de spins périodiques. Une méthode (Self-Consistent Perturbation), est inspirée par une expansion perturbative de la fonction d'onde à partir d'une fonction de référence très localisée. Cette variante d'un formalisme Coupled Cluster conduit à des équations polynomiales couplées, aisément résolues. Les autres méthodes sont basées sur des changements d'échelle, dans l'esprit du Groupe de Renormalisation dans l'Espace Réel, le réseau étant vu comme des blocs en interaction. La théorie des Hamiltoniens effectifs, utilisant le spectre exact de dimères ou trimères de blocs, permet de définir des interactions effectives. On a considéré soit des blocs à nombre impair de sites, qu'on peut voir comme des quasi-spins, ce qui est susceptible de produire des réseaux isomorphes et permet, d'itérer le processus et de garder l'élégance et les concepts du formalisme du Groupe de Renormalisation, soit des blocs à nombre pair de sites, qui conduisent à une description excitonique renormalisée des états excités. Les méthodes ont été testées sur des réseaux simples, puis appliquées à la recherche de transitions de phase sur une série de réseaux bidimensionnels (carré anisotrope, 1/5-depleted, plaquette, Shastry-Sutherland) et à des rubans graphitiques. Les localisations des transitions de phase (et les valeurs des gaps) sont prédites de façon très cohérentes par les diverses méthodes utilisées et en bon accord avec les meilleurs évaluations disponibles. L'hypothèse de l'existence d'une phase intermédiaire dans le réseau Shastry-Sutherland est confortée par nos calculs.

Nous analysons les caractéristiques d'intrication de quelques matériaux à l'état solide ainsi que des systèmes particuliers d'atomes et de champs en interaction. Une étude détaillée de la riche structure de phase des modèles de spins de basse dimension, décrivant le minéral naturel d'azurite et les composés de coordination à base de cuivre, a révélé des régimes à comportement d'intrication des plus robustes. En utilisant l'approche des systèmes dynamiques, la structure de phase de certains modèles classiques en réseaux hiérarchiques (récursifs) a aussi été étudiée et, pour la première fois, la transition entre régime chaotique et régime périodique au moyen de la bifurcation tangente a été détectée.Nous présentons une description détaillée des propriétés d'intrication de trois atomes piégés dans la limite dispersive. Une relativement simple accordabilité de la force atomique d'interaction de ce système et son étroite relation aux problèmes de frustration magnétique est démontrée. Les effets de propagation de pulses laser intenses dans un système atomique de type [lambda] avec des forces d'oscillateurs différentes sont analysés. Les résultats obtenus sont d'extrême importance dans des problèmes d'information quantique, comme par exemple, dans l'analyse du mécanisme de transfert de population dans des milieux ayant les propriétés définies ci-avant. Enfin, nous avons analysé les effets dissipatifs dans un protocole de distillation de l'intrication à variable continue récemment proposé. Malgré des contraintes additionnelles sur les paramètres du protocole, il est encore possible d'implémenter ce schéma de distillation évoqué ci-avant dans les technologies émergentes. / The entanglement features of some solid state materials, as well as of particular systems of interacting atoms and fields are analyzed. A detailed investigation of the rich phase structure of low dimensional spin models, describing the natural mineral azurite and copper based coordination compounds, has revealed regimes with the most robust entanglement behavior. Using the dynamical system approach, the phase structure of some classical models on hierarchical (recursive) lattices has been also studied and, for the first time, the transition between chaotic and periodic regimes by means of tangent bifurcation has been detected.A detailed description of entanglement properties of three atoms trapped in a cavity within the dispersive limit is presented. A relatively simple tunability of the atomic interaction strength of the above system and its close relation to the problems of frustrated magnetism is shown. Furthermore, the propagation effects of two intense laser pulses in a medium of [lambda] atoms with unequal oscillator strengths are investigated. Obtained results are crucial in some problems of quantum information theory, as, e.g., in the analysis of population transfer mechanism in media possessing the above properties. Finally, the dissipation effects in a recently proposed compact continuous-variable entanglement distillation protocol have been analyzed. Despite additional constraints on the parameters of the protocol, the discussed entanglement distillation scheme in quantum memories is still possible to implement within emerging technologies.