De récentes avancées technologiques laissent entrevoir le potentiel des spins électroniques uniques comme supports pour le stockage et la manipulation de l'information. En raison de leur nature quantique, les spins électroniques contrôlé à l’échelle de l’électron unique peuvent non seulement être utilisés pour stocker l'information classique, mais pourraient également être mis en œuvre pour réaliser des qubits dans un ordinateur quantique. Dans un tel dispositif, les superpositions de différents états de spin peuvent être utilisées pour calculer plus efficacement que les ordinateurs classiques.Une mise en œuvre prometteuse d'un tel système est un électron piégé dans une boite quantique latérale. Ce dispositif nanométrique défini dans des structures semiconductrices permet d'isoler et de manipuler le spin d’un électron de façon cohérente avec des potentiels électrostatiques. Dans cette thèse, nous manipulons les électrons dans des boites quantiques dans un régime dit « isolé». La manipulation de charges électroniques individuelles en plusieurs boites quantiques connectées entre elles apparaît alors être simplifiée. Cette manipulation de spin se fait grâce à l’échange cohérent d’un quantum de spin entre deux électrons piégés. Le contrôle du couplage tunnel entre ces deux boites quantiques rend cet échange contrôlé. De cette façon, la manipulation de spin peut se faire à un "sweet spot", un point insensible au bruit de charge, permettant ainsi d'obtenir des oscillations de spin de haute qualité.Le contrôle précis de la charge dans le régime isolé est ensuite utilisé pour contrôler le déplacement d’un électron dans un système circulaire de trois boites quantiques qui sont fortement couplées par effet tunnel. Ainsi la cohérence d'une superposition de deux spins électroniques déplacée le long d’une boucle fermée a été étudiée. Nos mesures montrent le transport cohérent de spins électroniques uniques sur des distances allant jusqu'à 5 μm. Pendant le transfert, le temps de cohérence se révèle être considérablement augmenté. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent à cette amélioration comme provenant d’un rétrécissement, lors du mouvement, des gradients de champ nucléaires générées par l'environnement cristallin. Les sources de décohérence sont discutées et permettent d’obtenir de nouvelles connaissances sur la dynamique interne du processus de transfert entre des boites quantiques couplées. Nos résultats sur le transport cohérent d'électrons peuvent être utilisés pour évaluer les possibilités d’intégration à grande échelle de qubits de spin dans des réseaux de boites quantiques à deux dimensions. / Recent technological advances hint at the future possibility to use single electron spins as carriers and storage of information. Due to their quantum nature, individually controlled electron spins can not only be used to store classical information, but could also find implementation as quantum bits in a quantum computer. In this envisioned device, the superposition of different spin states could be used to perform novel calculation procedures more efficiently than their classical counterparts.A promising implementation of a controllable single electron spin system is an electron trapped in a lateral quantum dot. This nanoscale solid state device allows to isolate and coherently manipulate the spin of individual electrons with electrostatic potentials. In this thesis we study electrons in quantum dot structures using a manipulation technique which we call the "isolated regime". In this regime the manipulation of individual electron charges in several connected quantum dots is shown to be simplified. This allows to implement a novel spin manipulation scheme to induce coherent exchange of a quantum of spin between two electrons via a variation of the tunnel-coupling between adjacent quantum dots. This manipulation scheme is observed to lead to a reduced sensibility to charge noise at a "sweet spot" and thereby allows to obtain high quality spin oscillations.The improved charge control in the isolated regime is then used to achieve circular coupling in a triple quantum dot device with high tunnel-rates. This allows to directly probe the coherence of a superposition of two electron spins which are displaced on a closed loop in the three quantum dots. Our measurements demonstrate coherent electron transport over distances of up to 5 μm. During the transfer the coherence time is found to be significantly increased. We identify the underlying mechanism for the enhancement with a motional narrowing of the nuclear field gradients originating from the crystal environment. The limiting decoherence source is found to be single electron spin-flips induced by a real space motion of the electrons. Our results on the coherent transport of electrons can be used to asses the scaling possibilities of spin qubit implementations on two-dimensional lattices.

La conception d’une boîte de vitesses impose le choix initial d’une architecture, solution de principe de l’objet à concevoir. Ce choix s’avère très structurant et a un impact très fort sur les critères de performance de la boîte de vitesse sans que l’ingénieur ait une visibilité claire sur cet impact. Une fois l’architecture choisie, il est possible par des techniques d’optimisation continue d’optimiser les critères de performance et le respect de contraintes vis-à-vis d’un cahier des charges. Ce genre d’optimisation a pour but de déterminer de manière optimale des dimensions structurantes de la boîte de vitesses comme par exemple les positions des axes de lignes d’arbres dans l’espace ou les diamètres des pignons. L’objectif de cette thèse est d’apporter des techniques scientifiques permettant de choisir l’architecture optimale vis-à-vis de ce cahier des charges. Le développement d’une telle méthode vise à obtenir des boîtes plus performantes, mais également de réduire les temps de développement d’ingénierie en s’assurant par des méthodes scientifiques du respect des contraintes exprimées dans le cahier des charges, et ce dès le choix de l’architecture, chose faite par essais-erreurs dans le cycle de conception habituel. / In the design process of a new gearbox, a choice has to be made between several competing technical solutions referred to as architectures. The purpose of multicriteria architecture optimization is to define the best technical solution in order to meet some given specifications. In the case of automotive gearboxes, the number of technical solutions is so high that it is humanly impossible for an engineer to test every possibility.It is more convenient to computationally generate all the gearbox architectures and select them with an automated analysis of performance and viability for the main criterion. These viable architectures are at this step only described by their kinematic functions, and a second stage considers the discrete spatial positioning of components in order to determine the viable ones for each architecture. Then, the design engineercan compare the viable architectures according to their performance and select the most interesting one.This PhD. propose a novel framework for gearbox synthesis from kinematic specifications and engineering rules and knowledge, using a specific graph as model for gearbox architectures.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées.Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l'exploitation des approches méthodologiques d'interopérabilité. Plusieurs solutions d'interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L'état de l'art dans ce secteur, met l'accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment "PREDIS", à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s'appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s'articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l'architecture logicielle autour de la plateforme d'interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées. Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l'exploitation des approches méthodologiques d'interopérabilité. Plusieurs solutions d'interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L'état de l'art dans ce secteur, met l'accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment "PREDIS", à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s'appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s'articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l'architecture logicielle autour de la plateforme d'interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant.

Pour atteindre les objectifs de réduction de consommation et augmenter la flexibilité de la demande des bâtiments, il est nécessaire de disposer de modèles de prévision de charge de climatisation facilement diffusables sur site et performants qui permettent la mise en place de stratégies d'optimisation énergétique et d'effacement. Cette thèse compare plusieurs architectures de modèles inverses (" boite noire ", " boite grise "). Un modèle semi-physique d'ordre 2 (R6C2) a été retenu pour prévoir la puissance de climatisation et la température intérieure moyenne en chauffage et en refroidissement. Il permet aussi d'interpréter des situations inédites (effacement), absentes de la phase d'apprentissage. Trois stratégies d'optimisation énergétique et d'effacement adaptées aux contraintes d'exploitation sont étudiées. La première permet d'optimiser la relance en chauffage afin de réduire la consommation et d'atteindre effectivement la température de confort le matin. La seconde stratégie optimise les températures de consigne sur une journée dans un contexte de prix variable de l'énergie, ceci afin de réduire la facture énergétique. Enfin, la troisième stratégie permet au bâtiment de s'effacer en limitant la charge tout en respectant des critères de confort spécifiés. Le modèle R6C2 et les stratégies ont été confrontés à un bâtiment réel (une école élémentaire). L'étude montre qu'il est possible de prévoir la puissance électrique et la température moyenne d'un bâtiment complexe avec un modèle mono-zone ; elle permet d'évaluer les stratégies développées et d'identifier les limites du modèle.

Pour atteindre les objectifs de réduction de consommation et augmenter la flexibilité de la demande des bâtiments, il est nécessaire de disposer de modèles de prévision de charge de climatisation facilement diffusables sur site et performants qui permettent la mise en place de stratégies d’optimisation énergétique et d’effacement. Cette thèse compare plusieurs architectures de modèles inverses (« boite noire », « boite grise »). Un modèle semi-physique d’ordre 2 (R6C2) a été retenu pour prévoir la puissance de climatisation et la température intérieure moyenne en chauffage et en refroidissement. Il permet aussi d’interpréter des situations inédites (effacement), absentes de la phase d’apprentissage. Trois stratégies d’optimisation énergétique et d’effacement adaptées aux contraintes d’exploitation sont étudiées. La première permet d’optimiser la relance en chauffage afin de réduire la consommation et d’atteindre effectivement la température de confort le matin. La seconde stratégie optimise les températures de consigne sur une journée dans un contexte de prix variable de l’énergie, ceci afin de réduire la facture énergétique. Enfin, la troisième stratégie permet au bâtiment de s’effacer en limitant la charge tout en respectant des critères de confort spécifiés. Le modèle R6C2 et les stratégies ont été confrontés à un bâtiment réel (une école élémentaire). L’étude montre qu’il est possible de prévoir la puissance électrique et la température moyenne d’un bâtiment complexe avec un modèle mono-zone ; elle permet d’évaluer les stratégies développées et d’identifier les limites du modèle. / To reach the objectives of reducing the energy consumption and increasing the flexibility of buildings energy demand, it is necessary to have load forecast models easy to adapt on site and efficient for the implementation of energy optimization and load shedding strategies. This thesis compares several inverse model architectures ("black box", "grey box"). A 2nd order semi-physical model (R6C2) has been selected to forecast load curves and the average indoor temperature for heating and cooling. It is also able to simulate unknown situations (load shedding), absent from the learning phase. Three energy optimization and load shedding strategies adapted to operational constraints are studied. The first one optimizes the night set-back to reduce consumption and to reach the comfort temperature in the morning. The second strategy optimizes the set-point temperatures during a day in the context of variable energy prices, thus reducing the energy bill. The third strategy allows load curtailment in buildings by limiting load while meeting specified comfort criteria. The R6C2 model and strategies have been faced with a real building (elementary school). The study shows that it is possible to forecast the electrical power and the average temperature of a complex building with a single-zone model; the developed strategies are assessed and the limitations of the model are identified.

L’objectif de cette thèse est de présenter les travaux d’une analyse thermo-économique d’un système de dessalement par distillation dans l’optique de revaloriser les pertes thermiques industrielles. Les rejets en question sont ceux d’un moteur Diesel utilisé dans une centrale de production d’électricité. Premièrement, une étude préliminaire est faite en utilisant un modèle boite noire. L’optimisation des fonctions objectives de ce modèle a permis de déterminer les paramètres de conception. Ensuite un nouveau modèle d’éjecteur distinct des deux modèles classiques utilisés en thermodynamique (à pression et à section constante) est développé. Les performances des procédés de détente et de compression dans cet éjecteur sont calculées en appliquant un rendement polytropique comme dans les turbomachines. La méthode développée a permis de déterminer toutes les dimensions de l’éjecteur ainsi que la position de l’onde de choc. Enfin une analyse détaillée du système de dessalement est faite pour déterminer le nombre d’effets ou cellules et les conditions qui permettent de satisfaire les conditions optimales obtenues lors de l’analyse préliminaire. L’analyse thermodynamique se base sur un tout nouveau modèle mathématique qui permet de simuler à la fois les deux configurations les plus utilisées en dessalement. De plus, une analyse thermo-économique basée sur l’exergo-économie a permis de calculer le coût de production et les investissements nécessaires.

Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil. / Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch.

Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique / Semiconductor quantum dots InAs/GaAs exhibit optical and electronic properties for which they are often compared to an individual atom. This thesis work focuses on different aspect of light-matter interaction in a single semiconductor quantum dot. The coupled system constituted by the electron spin and the nuclei spins have been studied in a single quantum dot. Photoluminescence experiments resolved in polarization have been carried out, with non resonant optical pumping : comprehensive studies in photoluminescence excitation under various experimental conditions (excitation power and polarization) have been performed. They point out the quantum dots fluctuating charge state and the strong coupling between the electron spin and the nuclear spins via hyperfine interaction. This enables the optical neutral exciton eigenstates orientation without any external magnetic field. We have confirmed these experimental results using a Fabry-Perot interferometer in order to increase the spectral resolution of our microphotoluminescence set up. In a second step, we present experiments performed in the coherent regime, in a time scale shorter than the system dephasing time, in a sample where the quantum dots are embedded in a Schottky-diode structure. The quantum dot is excited resonantly with short pulses (Fourier transform limited) and, using an original detection scheme, we detect the luminescence signal on a spectator state. We demonstrate the Rabi oscillations of the exciton state in a single quantum dot. Finally, using frequency swept chirped pulses, we show that it is possible to prepare robustly and with a strong fidelity an exciton state in a single quantum dot. This is a first step toward the Q-bit implementation and manipulation in a single quantum dot

Dans cette these, nous etudions les schemas boite. Ils ont ete introduits par H.B. Keller en 1971. Dans un premier temps, on s'est interesse a des problemes elliptiques de type Poisson. Plusieurs schemas boite pour des domaines de $\mathbb(R)^2$ mailles par des triangles ou des rectangles ont ete introduits. Dans ce cas, la discretisation s'effectue sur la forme mixte du probleme en prenant la moyenne des deux equations (conservation et flux) sur les cellules du maillage. La methode peut etre qualifiee de ``methode volumes finis mixte de type Petrov-Galerkin ``. Une des difficultes du design de cette famille de schemas reside dans le choix des differents espaces de fonctions (approximation et test) qui doivent satisfaire des conditions de compatibilite de type Babuska-Brezzi. En revanche, cette methode de discretisation ne necessite qu'un seul maillage (le maillage du domaine). De plus, on montre dans la plupart des cas que le schema obtenu est equivalent a un probleme découplé : la résolution d'un probleme variationnel pour l'inconnue principale et une formule locale pour le gradient (le flux). Cette formulation facilite le calcul des inconnues discretes. Des resultats de stabilite et les calculs d'erreurs reposant sur la theorie des elements finis ont ete etablis. Une etude numérique valide ces resultats pour quelques cas tests. Dans le cadre du Groupement de Recherche MoMaS pour le stockage des dechets nucleaires dans la Meuse, j'ai ensuite etudie des problemes de convection-diffusion instationnaires. Un schéma boite permettant d'approcher ces equations dans le cas monodimensionnel a ete introduit. Des coefficients de decentrement propres a chaque maille permettent de controler le schema (precision, stabilite). Afin de generaliser rapidement ce schema au cas bidimensionnel, je me suis concentree sur une extension du schema boite monodimensionnel par la methode ADI (Alternating Direction Implicit).