Cet exposé est scindé en deux grandes parties. Dans la première, nous estimons des constantes photo-physiques du saphir dopé au titane à partir d'un modèle analytique simple exploitant une théorie de Huang-Rhys pour la détermination du profil spectral des bandes simples et une hypothèse réaliste de superposition de ces dernières. Nous déterminons une formule pour l'indice de réfraction total du Ti:saphir en fonction de la concentration de dopant. Dans une seconde partie, nous évaluons, selon la vérification d'un concept, la capacité de laser sana inversion de populations pour un cristal dopé possédant une basse symétrie. Nous appuyons notre démonstration en établissant une condition de seuil généralisée d'effet laser. Ce concept pourrait être une rupture technologique dans le domaine des grands cristaux dopés et n'a pas encore été investigué par la communauté. / This presentation is split into two main parts. In the first, we estimate photo-physical constants of titanium doped sapphire from a simple analytical model using a Huang-Rhys theory for the determination of the spectral profile of simple bands and from a realistic hypothesis of superposition of the latter. We define a formula for the total refractive index of Ti:sapphire as a function of dopant concentration. In a second part, we evaluate, according to the verification of a concept, the laser capability without population inversion for a doped crystal with low symmetry. We support our demonstration by establishing a generalized laser threshold condition. This concept would be a technological breakthrough in the field of large doped crystals and has not yet been investigated by the community.

La crise écologique comme les débats entourant les avancements technologiques en biologie moléculaire ou en nanotechnologie sont au cœur d’un questionnement sur la relation que nous entretenons envers la nature, mais également avec nous-mêmes. En effet, des catastrophes comme celle de la centrale nucléaire de Fukushima ou les controverses entourant les organismes génétiquement modifiés nous rappellent la portée de nos choix individuels et collectifs en nous questionnant sur la justesse de nos modèles; ce sont ces paradigmes qui structurent nos pensées et qui servent d’assises à nos actions. C’est justement en ayant pour objectif de trouver une alternative à la modernité occidentale que ce modèle de pensée, qui a servi au développement de la science moderne depuis Descartes, mais également de prétexte à un asservissement de la nature, que cela nous amène à nous engager dans ce processus de réflexion. Pour cheminer philosophiquement dans ce projet d’une nouvelle fondation de notre relation à la nature et à nous-mêmes, nous explorerons la question du rapport sujet/objet à travers l’histoire de la philosophie. Ensuite, nous procurerons ce même débat à travers l’interprétation de Copenhague de la théorie de la mécanique quantique pour situer cette question dans le développement de la physique actuelle. Nous emprunterons ensuite les chemins philosophiques de l’ontologie heideggérienne pour nous donner un nouveau point de départ à cette discussion. Nous ferons alors le lien entre la philosophie de Heidegger et la mécanique quantique par l’entremise de Bohr et de Heisenberg. Nous étudierons alors la question de l’être humain conceptualisée dans un contexte non occidental par la thèse du philosophe japonais Watsuji Tetsuro. Cette dernière étape nous aidera à trouver des solutions au dépassement des problèmes éprouvés par Heidegger à la complétion de son projet d’ontologie fondamentale. C’est par une tentative de synthèse de la pensée de Heidegger et de Watsuji sur l’être et par-delà les conséquences philosophiques de la mécanique quantique sur la conscience que nous pourrons alors proposer les bases d’une nouvelle ontologie du Tout qui servira à un renouveau des relations que nous entretenons avec la nature et nous-mêmes.

La résolution du problème à N-corps constitue aussi bien en mécanique classique qu'en mécanique quantique un des grands enjeux de la physique. En physique nucléaire, diverses méthodes ont été développées pour obtenir des solutions approchées permettant de décrire convenablement les propriétés des noyaux (spectres, transitions électromagnétiques...). Dans cette thèse, nous avons tout d'abord rappelé comment les symétries pouvaient être utilisées pour obtenir des solutions exactes. Nous avons notamment insisté sur le rôle occupé par l'algèbre unitaire en mécanique quantique et nous avons développé et implémenté une façon de construire les représentations irréductibles de cette algèbre à partir d'un état dit de poids maximal et dans lesquelles ont été calculés les spectres de systèmes bosoniques et fermioniques aussi bien avec des interactions réalistes qu'avec des interactions aléatoires. L'utilisation d'interactions aléatoires à 1- et 2-corps conservant le moment angulaire a révélé que certaines caractéristiques des spectres (état fondamental de moment angulaire nul, existence de bandes rotationnelles, vibrationnelles...) étaient robustes. Ainsi dans une seconde partie, nous avons montré que le choix de l'espace de valence conditionne fortement les spectres possibles d'un système quantique : en particulier, nous avons élaboré une méthode géométrique qui, dans certains cas, permet de prévoir les propriétés du fondamental. Nous avons également présenté des résultats numériques dans des situations où la méthode géométrique ne s'applique pas. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés au lien entre le chaos et les spectres des noyaux obtenus avec des interactions réalistes.

De nos jours, la géométrie non-commutative est un domaine grandissant des mathématiques, qui peut apparaître comme un cadre prometteur pour la physique moderne. Les théories quantiques des champs sur des "espaces non-commutatifs" ont en effet été très étudiées, et sont sujettes à un nouveau type de divergence, le mélange ultraviolet-infrarouge. Cependant, une solution a récemment été apportée à ce problème par H. Grosse et R. Wulkenhaar en ajoutant à l'action d'un modèle scalaire sur l'espace non-commutatif de Moyal, un terme harmonique qui la rend renormalisable. Un des buts de cette thèse est l'extension de cette procédure aux théories de jauge sur l'espace de Moyal. En effet, nous avons introduit une nouvelle théorie de jauge non-commutative, fortement reliée au modèle de Grosse-Wulkenhaar, et candidate à la renormalisabilité. Nous avons ensuite étudié ses propriétés les plus importantes, notamment ses configurations du vide. Finalement, nous donnons une interprétation mathématique de cette nouvelle action en terme de calcul différentiel basé sur les dérivations, associé à une superalgèbre. Ce travail contient, outre les résultats mentionnés ci-dessus, une introduction à la géométrie non-commutative, une introduction aux algèbres epsilon-graduées, définies dans cette thèse, et une introduction à la renormalisation des théories quantiques de champs scalaires (point de vue wilsonien et BPHZ) et de jauge.

Afin d'étudier les processus collisionnels qui se produisent lors de la formation de condensats de Bose-Einstein moléculaires, nous avons entrepris, à l'aide d'une méthode quantique indépendante du temps basée sur les coordonnées hypersphériques, l'étude de la dynamique entre atomes et diatomiques à ultra-basse énergie. Nous présentons des résultats théoriques pour trois systèmes d'alcalins, chacun formé d'atomes de lithium, de sodium ou de potassium, et pour un système d'alcalino-terreux formé d'atomes de calcium. Nous avons également étudié la dynamique lorsque la longueur de diffusion atome-atome devient grande et positive. Les résultats mettent en évidence la suppression des processus inélastiques pour un système composé d'atomes fermioniques ainsi qu'une relation de proportionnalité entre la longueur de diffusion atome-diatome et la longueur de diffusion atome-atome.

La notion d’entropie d’intrication a eu un profond impact sur la physique théorique, particulièrement depuis ces dix dernières années. D’abord introduite afin expliquer l’entropie des trous noirs, son champ d’application s’est par la suite ouvert à une grande variété de domaines de recherche, de la matière condensée à la gravitation quantique, de l’information quantique à la théorie quantique des champs. Dans ce contexte scientifique effervescent, l’entropie d’intrication apparait comme un outil central et doit donc intensivement être étudiée. A l’origine de cette thèse se trouve le désir de mieux comprendre cette entropie. D’intéressants développements concernant les effets de bord sur l’entropie d’intrication ont vu le jour récemment. Nous proposons donc d’explorer comment le bord d’un espace affecte l’entropie, en particulier dans la situation où la surface d’intrication intersecte ce bord. Nous présentons des calculs explicites de l’entropie d’intrication en espace plat avec bords. Nous montrons que des termes induits par ces bords apparaissent dans l’entropie et nous soulignons le rôle prépondérant que jouent les conditions aux bords. Nous étudions ensuite la contribution de bord dans le terme logarithmique de l’entropie d’intrication en dimensions trois et quatre. Nous calculons en premier lieu ce terme en théorie des champs pour la théorie N = 4 de Yang-Mills, puis nous répétons ce calcul de manière holographique. Nous montrons que ces deux méthodes de calcul donnent le même résultat, si du côté théorie des champs les conditions aux bords préservent la moitié de la supersymétrie et que du côté gravité l’extension du bord dans le bulk est une surface minimale. / The entanglement entropy has had a tremendous and profound impact on theoretical physics, particularly since the last decade. First introduced in an attempt to explain black holes entropy, it has then found applications in a wide range of research areas, from condensed matter physics to quantum gravity, from quantum information to quantum field theory. In this exciting scientific context, the entanglement entropy has thus emerged as a useful and pivotal tool, and as such justifies the need to be intensively studied. At the heart of this thesis therefore lies the desire to better understand the entanglement entropy. Interesting developments during the recent years concern the boundary effects on the entanglement entropy. This dissertation proposes to explore the question of how the presence of spacetime boundaries affects the entropy, specifically in situations where the entangling surface intersects these boundaries. We present explicit calculations of entanglement entropy in flat spacetime with plane boundaries. We show that boundary induced terms appear in the entropy and we emphasize the prominent role of the boundary conditions. We then study the boundary contribution to the logarithmic term in the entanglement entropy in three and four dimensions. We perform the field theoretic computation of this boundary term for the free N = 4 super-gauge multiplet and then repeat the same calculation holographically. We show that these two calculations are in agreement provided that on the field theory side one chooses the boundary conditions which preserve half of the full supersymmetry and that on the gravity side the extension of the boundary in the bulk is minimal.

Le schéma de régularisation de Taylor-Lagrange (TLRS) est basé sur la définition des champs en tant que distributions à valeurs d'opérateurs (OPVD). L'expression de ces OPVD implique des fonctions test qui, grâce à leurs propriétés (propriétés d'échelles, super-régularité), permettent d'étendre des distributions singulières à tout l'espace. Ce type de régularisation, que l'on peut qualifier de coupure ultra-douce, est efficace quelque soit le degré de divergence originel et produit des amplitudes finies dépendant d'une échelle intrinsèque sans dimensions. Enfin, ce schéma préserve les symétries du groupe de Poincaré et l'invariance de jauge. Après avoir présenté le formalisme TLRS, celui-ci est appliqué au calcul des corrections radiatives en QED ainsi qu'à celles à la masse du boson de Higgs dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. Dans une dernière partie, il est appliqué au modèle de Yukawa dans le cadre de la dynamique sur le front de lumière. Les corrections radiatives et un calcul non-perturbatif d'états liés sont effectués. Ces exemples permettent de vérifier, d'une part, l'applicabilité de ce schéma dans différents cas, et d'autre part, de tester son respect des propriétés de symétrie des théories. / The Taylor-Lagrange regularization scheme (TLRS) is based on the definition of fields as operator valued distributions (OPVD). The expression of these OPVDs implies test functions which, thanks to their properties (scaling properties, super-regularity), allow to extend singular distributions to the whole space. This type of regularization, which could be qualified as an ultra-soft cut-off, is efficient for any order of divergences and produces finite amplitudes depending on an intrinsic dimensionless scale. Finally, this scheme respects the Poincaré group symmetries as well as gauge invariance. After an introduction to the TLRS, it is applied to the calculation of radiative corrections to QED and to the mass of the Higgs boson within the standard model of particle physics. In a last section, it is applied to the Yukawa model using the framework of light front dynamics. Radiative corrections and non-perturbative bound state are calculated. This examples allow to verify, on one hand, the applicability of the TLRS, and on the other hand to test its respect of the symmetry properties of the theories.

In this thesis we study the information transmission through Gaussian quantum channels. Gaussian quantum channels model physical communication links, such as free space communication or optical fibers and therefore, may be considered as the most relevant quantum channels. One of the central characteristics of any communication channel is its capacity. In this work we are interested in the classical capacity, which is the maximal number of bits that can be reliably transmitted per channel use. An important lower bound on the classical capacity is given by the Gaussian capacity, which is the maximal transmission rate with the restriction that only Gaussian encodings are allowed: input messages are encoded in so-called Gaussian states for which the mean field amplitudes are Gaussian distributed.<p><p>We focus in this work mainly on the Gaussian capacity for the following reasons. First, Gaussian encodings are easily accessible experimentally. Second, the difficulty of studying the classical capacity, which arises due to an optimization problem in an infinite dimensional Hilbert space, is greatly reduced when considering only Gaussian input encodings. Third, the Gaussian capacity is conjectured to coincide with the classical capacity, even though this longstanding conjecture is unsolved until today.<p><p>We start with the investigation of the capacities of the single-mode Gaussian channel. We show that the most general case can be reduced to a simple, fiducial Gaussian channel which depends only on three parameters: its transmissivity (or gain), the added noise variance and the squeezing of the noise. Above a certain input energy threshold, the optimal input variances are given by a quantum water-filling solution, which implies that the optimal modulated output state is a thermal state. This is a quantum extension (or generalization) of the well-known classical water-filling solution for parallel Gaussian channels. Below the energy threshold the solution is given by a transcendental equation and only the less noisy quadrature is modulated. We characterize in detail the dependence of the Gaussian capacity on its channel parameters. In particular, we show that the Gaussian capacity is a non-monotonous function of the noise squeezing and analytically specify the regions where it exhibits one maximum, a maximum and a minimum, a saddle point or no extrema. <p><p>Then, we investigate the case of n-mode channels with noise correlations (i.e. memory), where we focus in particular on the classical additive noise channel. We consider memory models for which the noise correlations can be unraveled by a passive symplectic transformation. Therefore, we can simplify the problem to the study of the Gaussian capacity in an uncorrelated basis, which corresponds to the Gaussian capacity of n single-mode channels with a common input energy constraint. Above an input energy threshold the solutions is given by a global quantum water-filling solution, which implies that all modulated single-mode output states are thermal states with the same temperature. Below the threshold the channels are divided into three sets: i) those that are excluded from information transmission, ii) those for which only the less noisy quadrature is modulated, and iii) those for which the quantum water-filling solution is satisfied. As an example we consider a Gauss-Markov correlated noise, which in the uncorrelated basis corresponds to a collection of single-mode classical additive noise channels. When rotating the collection of optimal single-mode input states back to the original, correlated basis the optimal multi-mode input state becomes a highly entangled state. We then compare the performance of the optimal input state with a simple coherent state encoding and conclude that one gains up to 10% by using the optimal encoding.<p><p>Since the preparation of the optimal input state may be very challenging we consider sub-optimal Gaussian-matrix product states (GMPS) as input states as well. GMPS have a known experimental setup and, though being heavily entangled, can be generated sequentially. We demonstrate that for the Markovian correlated noise as well as for a non-Markovian noise model in a wide range of channel parameters, a nearest-neighbor correlated GMPS achieves more than 99.9% of the Gaussian capacity. At last, we introduce a new noise model for which the GMPS is the exact optimal input state. Since GMPS are known to be ground states of quadratic Hamiltonians this suggests a starting point to develop links between optimization problems of quantum communication and many body physics. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La mécanique quantique est sans aucun doute la théorie la mieux vérifiée qui n’a jamais existée. En se retournant vers le passé, nous constatons qu’un siècle de théorie quantique a non seulement changé la perception que nous avons de l’univers dans lequel nous vivons mais aussi est responsable de plusieurs concepts technologiques qui ont le potentiel de révolutionner notre monde.<p> <p>La présente dissertation a pour but de mettre en avance ces potentiels, tant dans le domaine théorique qu’expérimental. Plus précisément, dans un premier temps, nous étudierons des protocoles de communication quantique et démontrerons que ces protocoles offrent des avantages de sécurité qui n’ont pas d’égaux en communication classique. Dans un deuxième temps nous étudierons trois problèmes spécifiques en clonage quantique ou chaque solution<p>apportée pourrait, à sa façon, être exploitée dans un problème de communication quantique.<p><p>Nous débuterons par décrire de façon théorique le premier protocole de communication quantique qui a pour but la distribution d’une clé secrète entre deux parties éloignées. Ce chapitre nous permettra d’introduire plusieurs concepts et outils théoriques qui seront nécessaires dans les chapitres successifs. Le chapitre suivant servira aussi d’introduction, mais cette fois-ci penché plutôt vers le côté expériemental. Nous présenterons une élégante technique qui nous permettra d’implémenter des protocoles de communication quantique de façon simple. Nous décrirons ensuite des expériences originales de communication quantique basées sur cette technique. Plus précisément, nous introduirons le concept de filtration d’erreur et utiliserons cette technique afin d’implémenter une distribution de clé quantique bruyante qui ne pourrait pas être sécurisé sans cette technique. Nous démontrerons ensuite des expériences implémentant le tirage au sort quantique et d’identification quantique.<p><p>Dans un deuxième temps nous étudierons des problèmes de clonage quantique basé sur le formalisme introduit dans le chapitre d’introduction. Puisqu’il ne sera pas toujours possible de prouver l’optimalité de nos solutions, nous introduirons une technique numérique qui nous<p>permettra de mettre en valeur nos résultats.<p> <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le développement de la Théorie du Calcul Quantique provient de l'idée qu'un ordinateur est avant tout un système physique, de sorte que ce sont les lois de la Nature elles-mêmes qui constituent une limite ultime sur ce qui peut être calculé ou non. L'intérêt pour cette discipline fut stimulé par la découverte par Peter Shor d'un algorithme quantique rapide pour factoriser un nombre, alors qu'actuellement un tel algorithme n'est pas connu en Théorie du Calcul Classique. Un autre résultat important fut la construction par Lov Grover d'un algorithme capable de retrouver un élément dans une base de donnée non-structurée avec un gain de complexité quadratique par rapport à tout algorithme classique. Alors que ces algorithmes quantiques sont exprimés dans le modèle ``standard' du Calcul Quantique, où le registre évolue de manière discrète dans le temps sous l'application successive de portes quantiques, un nouveau type d'algorithme a été récemment introduit, où le registre évolue continûment dans le temps sous l'action d'un Hamiltonien. Ainsi, l'idée à la base du Calcul Quantique Adiabatique, proposée par Edward Farhi et ses collaborateurs, est d'utiliser un outil traditionnel de la Mécanique Quantique, à savoir le Théorème Adiabatique, pour concevoir des algorithmes quantiques où le registre évolue sous l'influence d'un Hamiltonien variant très lentement, assurant une évolution adiabatique du système. Dans cette thèse, nous montrons tout d'abord comment reproduire le gain quadratique de l'algorithme de Grover au moyen d'un algorithme quantique adiabatique. Ensuite, nous montrons qu'il est possible de traduire ce nouvel algorithme adiabatique, ainsi qu'un autre algorithme de recherche à évolution Hamiltonienne, dans le formalisme des circuits quantiques, de sorte que l'on obtient ainsi trois algorithmes quantiques de recherche très proches dans leur principe. Par la suite, nous utilisons ces résultats pour construire un algorithme adiabatique pour résoudre des problèmes avec structure, utilisant une technique, dite de ``nesting', développée auparavant dans le cadre d'algorithmes quantiques de type circuit. Enfin, nous analysons la résistance au bruit de ces algorithmes adiabatiques, en introduisant un modèle de bruit utilisant la théorie des matrices aléatoires et en étudiant son effet par la théorie des perturbations. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished