Comprendre l'interaction lumière-matière est toujours un sujet d'actualité malgré des décennies de recherche intense. Grâce au large couplage lumière-matière présent dans les circuits quantiques supraconducteurs, il est maintenant possible d'effectuer des expériences où la dynamique d'environnements contenant beaucoup de degrés de liberté, devient pertinente. Ainsi, relier la physique à N-corps, généralement réservée à la matières condensée, et l’optique quantique est à portée de main.Dans ce travail, nous présentons un système totalement accordable in-situ pour étudier l'interaction lumière-matière à N-corps (N grand) dans différents régimes de couplage. Le circuit est constitué d'un bit quantique de type transmon (“la matière”) couplé capacitivement à une chaîne de 4700 jonctions Josephson en géométrie squid. Cette chaîne supporte de nombreux modes électromagnétiques ou modes plasma (“la lumière”). Grâce à la grande inductance cinétique des jonctions Josephson, la chaîne présente une impédance caractéristique élevée ce qui augmente significativement le couplage qubit-modes. Les squids dans le transmon et dans la chaîne nous permettent de modifier la force de ce couplage en appliquant un flux magnétique.Avec ce sytème, nous avons les trois ingrédients requis pour explorer la physique à N-corps: un environnement avec une grande densité de modes électromagnétiques, un couplage lumière-matière ultra-fort, et une non linéarité comparable aux autres échelles d'énergie pertinentes. De plus, nous présentons un traitement de l'effet des fluctuations du vide de ce large nombre de degrées de liberté. Ce qui nous permet d'obtenir un modèle quantitatif et sans paramètre libre de ce système complexe. Finalement, à partir du décalage de phase induit par le transmon sur les modes de la chaîne, le transmon phase shift, nous quantifions l’hybridation du qubit transmon avec plusieurs modes de la chaîne (jusqu'à 10 modes) et obtenons la fréquence de résonance du transmon, ainsi que sa largeur, confirmant que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort.Ce travail démontre que les circuits quantiques sont un outil puissant pour explorer l'optique quantique à N-corps de manière totalement contrôlée. Combiner des métamatériaux supraconducteurs et des qubits devrait permettre de mettre en évidence des effets à N-corps qualitatifs, comme le décalage de Lamb géant, d’observer des états non-classiques de la lumière ou la production de particules ou encore de simuler des problèmes d’impuretés quantiques (par exemple le modèle de Kondo ou celui de Sine-Gordon) et des transitions de phase quantiques dissipatives. / Understanding the way light and matter interact remains a central topic in modern physics despite decades of intensive research. Owing to the large light-matter interaction in superconducting circuits, it is now realistic to think about experiments where the dynamics of environments containing many degrees of freedom becomes relevant. It suggests that bridging many-body physics, usually devoted to condensed matter, and quantum optics is within reach.In this work we present a fully tunable system for studying light-matter interaction with many bodies at different coupling regimes. The circuit consists of a transmon qubit (“the matter”) capacitively coupled to an array of 4700 Josephson junctions in a squid geometry, sustaining many electromagnetic or plasma modes (“the light”). Thanks to the large kinetic inductance of Josephson junctions, the array shows a high characteristic impedance that enhances the qubit-modes coupling. The squids in the transmon and in the array allow us to tune the strength of this coupling via an external magnetic flux.We observe the three required ingredients to explore many-body physics: an environment with a high density of electromagnetic modes, the ultra-strong light-matter coupling regime and a non-linearity comparable to the other relevant energy scales. Moreover, we present a method to treat the effect of the vacuum fluctuations of all these degrees of freedom. Thus we provide a quantitative and parameter-free model of this large quantum system. Finally, from the phase shift induced by the transmon on the modes of the array, the transmon phase shift, we quantify the hybridization of the transmon qubit with several modes in the array (up to 10) and obtain the transmon resonance frequency and its width, demonstrating that we are in the ultra-strong coupling regime.This work demonstrates that quantum circuits are a very powerful platform to explore many-body quantum optics in a fully controlled way. Combining superconducting metamaterials and qubits could allow us to observe qualitative many-body effects such as giant lambshift, non-classical states of light and particle productions or to simulate quantum impurity problems (such as the Kondo model or the sine-Gordon model) and dissipative quantum phase transitions.

Au sein de physique des systèmes quantiques désordonnés, le domaine des atomes ultra-froids est en pleine croissance. En l’occurrence, l'étude de la relation entre la localisation et les interactions a permis de découvrir la richesse de la physique de la localisation à N-corps. Ce phénomène remarquable fournit un mécanisme pour la brisure de l'ergodicité dans les systèmes quantiques isolés et désordonnés. Plusieurs questions ont été évoquées après cette découverte, comme la possibilité d'une transition fluide-isolant à température finie. Dans cette thèse, j'étudie la localisation à N-corps dans le contexte de bosons désordonnés à deux dimensions. Dans la première partie, je présente l'étude d'un gaz interactif de Bose bidimensionnel dans un potentiel aléatoire à température finie. Le système présente deux transitions à température finie: la transition de localisation à N-corps entre fluide et isolant, et la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless entre superfluide algébrique et fluide. J'examine ensuite l'influence de la troncature de la distribution d'énergie dû au piégeage, un phénomène générique dans le cadre du refroidissement d'atomes ultra-froids. Finalement, je conclus en discutant la stabilité de la phase isolante dans des systèmes définis sur un continuum. / The study of the interplay between localization and interactions in disordered quantum systems led to the discovery of the interesting physics of many-body localization (MBL). This remarkable phenomenon provides a generic mechanism for the breaking of ergodicity in quantum isolated systems, and has stimulated several questions such as the possibility of a finite-temperature fluid-insulator transition. At the same time, the domain of ultracold interacting atoms is a rapidly growing field in the physics of disordered quantum systems. In this thesis, we study many-body localization in the context of two-dimensional disordered ultracold bosons. After reviewing some importance concepts, we present a study of the phase diagram of a two-dimensional weakly interacting Bose gas in a random potential at finite temperatures. The system undergoes two finite-temperature transitions: the MBL transition from normal fluid to insulator and the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition from algebraic superfluid to normal fluid. At T=0, we show the existence of a tricritical point where the three phases coexist. We also discuss the influence of the truncation of the energy distribution function at the trap barrier, a generic phenomenon for ultracold atoms. The truncation limits the growth of the localization length with energy and, in contrast to the thermodynamic limit, the insulator phase is present at any temperature. Finally, we conclude by discussing the stability of the insulating phase with respect to highly energetic particles in systems defined on a continuum.

Cette thèse a été préparée à l'Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Ephémérides de l'Observatoire de Paris, de septembre 2001 à avril 2005, sous la direction de MM. Alain Chenciner et Alain Albouy. Elle traite du problème des N corps, qui consiste en l'étude des solutions des équations de Newton. Celles-ci décrivent le mouvement de N particules ponctuelles en interaction gravitationnelle. Cette thèse a plus précisément pour objet l'étude des solutions homographiques (les rapports entre les distances mutuelles sont constants) associées à des masses de signe quelconque. On étudie le cas des mouvements rigides (les distances mutuelles sont constantes). Ce problème est plus difficile que le problème à masses positives, car il n'est plus possible d'associer un produit scalaire aux masses.<br /><br />On s'intéresse au cas où la somme des masses est nulle. Le centre d'inertie devient alors un vecteur, invariant par translation. Ceci rend les équations de Newton "plus intégrables". Ainsi, sous une hypothèse sur les vitesses initiales, le problème colinéaire des trois corps devient intégrable. Cette propriété permet de calculer les configurations centrales (configurations qui engendrent un effondrement homothétique sur un centre) pour des masses x, -x, y, -y.<br /><br />On applique une propriété des équilibres absolus à somme des masses nulle au problème des chorégraphies. Une chorégraphie est une solution dans laquelle les corps se suivent sur la même courbe avec des intervalles de temps égaux. On montre que, pour le potentiel logarithmique, les masses d'une chorégraphie sont nécessairement égales.

La gravit'e newtonienne joue un rˆole essentiel dans l''evolution des objets c'elestes dans l'univers, mais la compr'ehension des syst'emes g'er'es par celle-ci reste encore limit'ee. Dans cette th'ese nous pr'esentons une 'etude th'eorique de la dynamique des syst'emes auto-gravitants 'a une dimension et 'a trois dimensions. La question centrale que nous abordons, en utilisant extensivement des simulations num'eriques, est si la m'ecanique statistique d'ecrit bien leur comportement. 'A une dimension nous proposons d''etudier principalement deux questions: la relaxation vers 'equilibre thermique et la relaxation violente vers des 'etat dit "quasi-stationnaire" (QSS). La premi'ere question consid'ere la relaxation vers un 'etat correspondant 'a l''equilibre thermique dans l'ensemble micro-canonique ou canonique, o'u la solution analytique est connue. Nous introduisons des param'etres d'ordre adapt'es qui permettent de mettre en 'evidence cette relaxation. Plus sp'ecifiquement nous observons que le temps caract'eristique de cette relaxation est corr'el'e avec les fluctuations dans l''etat quasi-stationnaire et est lin'eairement proportionnel au nombre de particules, ind'ependamment de la condition initiale. La deuxi'eme question concerne la relaxation violente 'a partir de conditions initiales vari'ees, et une comparaison avec la th'eorie de relaxation violente de Lynden-Bell. Cette th'eorie d'ecrit avec une bonne approximation les propri'et'es de ces 'etats quasi-stationnaires proche de la limite "d'eg'en'er'ee" ou, plus g'en'eralement, quand la relaxation est "calme". L''echec de la th'eorie est corr'el'e 'a l'emergence de structure "core-halo". Pour terminer nous 'etudions les mˆemes questions sur les syst'emes 'a trois dimensions. Dans le cas g'en'eral la th'eorie de Lynden-bell donne, en absence d'une boˆıte de confinement, une solution de masse infinie. Nous remarquons que la solution est peu sensible 'a la taille de la boˆıte proche de la limite d'eg'en'er'e. Elle peut ˆetre compar'ee aux r'esultats de simulations num'eriques pour le cas (plus physique) o'u le syst'eme est ouvert. Dans ce cas nous observons, comme en une dimension, un bon accord avec la pr'evision th'eorique dans le r'egime proche de la limite d'eg'en'er'ee ou autrement l'apparition de structure "core-halo".

Le code Classical N-body Dynamics (CNBD) est dédié aux simulations de collisions entre systèmes classiques. L'interaction à deux corps employée a les propriétés du potentiel de Van der Waals et dépend de peu de paramètres. Ce travail de thèse suit deux lignes directrices.<br />D'une part certaines approches théoriques supposent que les phénomènes observés lors des collisions d'ions lourds sont d'origine thermique. Pour notre cas classique, nous montrons qu'au contraire la voie d'entrée y joue un rôle important. De plus, les noyaux en collisions sont censés présenter une transition de phase de type liquid-gaz du premier ordre.

Dans une série de travaux Zied Ammari et Francis Nier ont développé des méthodes pour étudier la dynamique de champ moyen bosonique pour des états quantiques généraux pouvant présenter des corrélations. Ils ont obtenu des formules pour décrire la dynamique des corrélations, ou plus généralement des matrices densité réduites d'ordre arbitraire. Cette thématique a été largement développée ces dernières années. Norbert Mauser en a été un des contributeurs, ainsi que sur la notion de mesure de Wigner qui est la clé de l'analyse développée par Z. Ammari et F. Nier. En général, il est admis que l'asymptotique de champ moyen est une bonne approximation du problème à N particules quand N dépasse la dizaine. Cela concerne l'asymptotique de la matrice densité réduite à une particule qui ne décrit pas la dynamique des corrélations. Un objectif est de tester la validité de la dynamique de champ moyen pour les matrices densité réduites à 2-particules. Pour des tests numériques, les modèles discrets qui n'ont pas été vraiment traités en détail dans les travaux précédents de Z. Ammari et F. Nier semblent bien adaptés. La thèse comprendra donc plusieurs étapes: adapter les résultats précédents de Z. Ammari et F. Nier à des modèles discrets , développer des méthodes numériques pour des systèmes simples mais pertinents, permettant de valider l'approximation de champ moyen et les formules pour la dynamique des corrélations. Au niveau numérique, on utilise des schémas numériques symplectiques, développés spécifiquement ces dernières années pour la discrétisation des équations hamiltoniennes. Une dernière étape concerne la combinaison des deux asymptotiques, champ moyen et approximation des modèles continus par les modèles discrets. / In a serie of works Z. Ammari and F. Nier developed methods to study the dynamics of bosonic mean field for general quantum states which can present correlations. They obtained formulas to describe the dynamics of the correlations, or more generally reduced density matrices with an arbitrary order. This topic was widely developed these last years. N.J. Mauser was one of contributors, as well as on the notion of Wigner measure which is the key of the analysis developed by Z. Ammari and F. Nier. Generally, the mean field asymptotic is admitted is a good approximation of the N-body problem when N exceed about ten. It concerns the asymptotics of the reduced density matrices for one particle which does not describe the dynamics of the correlations. An objective is to test the validity of the mean field dynamics for reduced density matrices for 2 particles. For numerical tests, the discrete models which were not really handled in detail in the previous works of Z. Ammari and F. Nier seem adapted well. The thesis will thus include several steps: adapt the previous results from Z. Ammari and F. Nier to discrete models , develop numerical methods, for simple but relevant systems, allowing to validate the approximation of mean field and the formulas for the dynamics of the correlations. About numerics, symplectic numerical scheme are used, developed specifically these last years for the discretization of the hamiltonian equations. A last possible step concerns the combination of both asymptotics, that is mean field and approximation of the continuous models by the discrete models.

Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre. / In the recent years, the field of light-matter interaction has made a further stride forward with the advent of superconducting qubits ultra-strongly coupled to open waveguides. In this setting, the qubit becomes simultaneously coupled to many different modes of the waveguide, thus turning into a highly intricate light-matter object. Investigating the wealth of new dynamical phenomena that emerge from the high complexity of these engineered quantum many-body systems is the main objective of this thesis.As a first crucial step, we tackle the time-evolution of such a non-trivial system using a novel numerical technique based on an expansion of the full state vector in terms of multi-mode coherent states. Inspired by earlier semi-classical approaches, this numerically exact method provides an important advance compared to the state-of-the-art techniques that have been used so far to study the many-mode ultra-strong coupling regime. Crucially, it also keeps track of every detail of the dynamics of the complete qubit-waveguide system, allowing both to perform the tomography and to extract multi-particle scattering of the waveguide degrees of freedom.An exploration of the many-mode ultra-strong coupling regime using this new technique led to the two core theoretical predictions of this thesis. The first demonstrates that the radiation spontaneously emitted by an excited qubit takes the form of a Schrödinger cat state of light, a result strikingly different from the usual single-photon emission known from standard quantum optics. The second prediction concerns the scattering of low-power coherent signals on a qubit, a very common experimental protocol performed routinely in laboratories. Most remarkably, it is shown that the qubit non-linearity, transferred to the waveguide through the ultra-strong light-matter interaction, is able to split photons from the incoming beam into several lower-energy photons, leading to the emergence of a low-frequency continuum in the scattered power spectrum that dominates the inelastic signal. By studying the second-order correlation function of the radiated field, it is also shown that emission at ultra-strong coupling displays characteristic signatures of particle production.In the final part of the thesis, the second-order correlation function is investigated again, but this time experimentally, and in the regime of moderate coupling. Although the results are still preliminary, this part of the thesis will provide an instructive account of signal measurement theory and will allow to understanding in-depth the experimental procedure involved in measuring quantum microwave signals. Moreover, the experimental developments and microwave simulations tools described in this section could be applied in the future to signals emitted by ultra-strongly coupled qubits, in order to observe the signatures of particle production revealed by the second-order correlation function.

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Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la méthode de mélange de configurations multiparticules-multitrous visant à décrire les propriétés de structure des noyaux atomiques. Basée sur un double principe variationnel, cette approche permet de déterminer simultanément les coefficients d'expansion de la fonction d'onde et les orbitales individuelles.Dans ce manuscrit, le formalisme complet méthode de mélange de configurations multiparticules-multitrous auto-cohérente est pour la première fois appliqué à la description de quelques noyaux des couches p et sd, avec l'interaction de Gogny D1S.Un première étude du 12C est effectuée afin de tester et comparer le double processus de convergence lorsque différents types de critères sont appliqués pour sélectionner les configurations à N-corps inclues dans la fonction d'onde du noyau. Une analyse détaillée de l'effet induit par l'optimisation des orbitales est conduite. En particulier, son impact sur la densité à un corps et sur la fragmentation de la fonction d'onde de l'état fondamental, est analysé.Une étude systématique de noyaux de la couche sd est ensuite conduite. Une analyse précise du contenu en corrélation de l'état fondamental est effectuée, et quelques quantités observables telles que les énergies de liaison et de séparation, ainsi que les rayons de charge, sont calculées et comparées à l'expérience. Les résultats obtenus sont satisfaisants. La spectroscopie de basse énergie est ensuite étudiée. Les énergies d'excitation théoriques sont en très bon accord avec les données expérimentales, et les caractéristiques dipolaires magnétiques sont également satisfaisantes. Les propriétés quadripolaires électriques, et en particulier les probabilités de transition B(E2), sont par contre largement sous-estimée par rapport aux valeurs expérimentales, et révèle un manque important de collectivité dans la fonction d'onde, dû à l'espace de valence restreint considéré. Si la renormalisation des orbitales induit une importante fragmentation de la fonction d'onde de l'état fondamental, seul un effet très faible est obtenu sur les probabilités de transition B(E2). Une tentative d'explication est donnée.Enfin, les informations de structure fournies par la méthode de mélange de configurations multiparticules-multitrous sont utilisées comme ingrédient de base pour des calculs de réactions telles que la diffusion inélastique de protons et d'électrons sur noyaux de la couche sd. Si les résultats révèlent aussi un manque de collectivité, les tendances expérimentales sont bien reproduites et sont améliorées par l'optimisation des orbitales. / This thesis project takes part in the development of the multiparticle-multihole configuration mixing method aiming to describe the structure of atomic nuclei. Based on a double variational principle, this approach allows to determine the expansion coefficients of the wave function and the single-particle states at the same time. In this work we apply for the first time the fully self-consistent formalism of the mp-mh method to the description of a few p- and sd-shell nuclei, using the D1S Gogny interaction.A first study of the 12C nucleus is performed in order to test the doubly iterative convergence procedure when different types of truncation criteria are applied to select the many-body configurations included in the wave-function. A detailed analysis of the effect caused by the orbital optimization is conducted. In particular, its impact on the one-body density and on the fragmentation of the ground state wave function is analyzed.A systematic study of sd-shell nuclei is then performed. A careful analysis of the correlation content of the ground state is first conducted and observables quantities such as binding and separation energies, as well as charge radii are calculated and compared to experimental data. Satisfactory results are found. Spectroscopic properties are also studied. Excitation energies of low-lying states are found in very good agreement with experiment, and the study of magnetic dipole features are also satisfactory. Calculation of electric quadrupole properties, and in particular transition probabilities B(E2), however reveal a clear lack of collectivity of the wave function, due to the reduced valence space used to select the many-body configurations. Although the renormalization of orbitals leads to an important fragmentation of the ground state wave function, only little effect is observed on B(E2) probabilities. A tentative explanation is given.Finally, the structure description of nuclei provided by the multiparticle-multihole configuration mixing method is utilized to study reaction mechanisms such as electron and proton inelastic scattering on sd-shell nuclei. Although the results also suffer from the lack of collectivity, the experimental trends are well reproduced and improved by the orbital optimization.

La structure nucléaire connaît une véritable renaissance liée au développement des faisceaux d'ions radioactifs (tels les faisceaux SPIRAL 1 et 2 au GANIL). Les méthodes de champ moyen et/ou de fonctionnelle de la densité sont parmi les outils les plus généraux et les mieux adaptés pour étudier les noyaux qui sont produits auprès de tels instruments. Le but du travail présenté est de montrer comment les fonctionnelles existantes peuvent être améliorées afin d'avoir un meilleur pouvoir prédictif dans les régions encore peu explorées de la carte des noyaux. Il est en particulier proposé de mieux modéliser la dépendance en isospin de l'interaction effective, et l'intérêt d'y ajouter un couplage de type tensoriel est étudié. Nous mesurons également l'apport de calculs au-delà de l'approximation du champ moyen lors de la construction de la fonctionnelle. Finalement, nous tentons d'établir le lien avec l'interaction nue entre nucléons pour la description de l'appariement, participant ainsi au développement d'une fonctionnelle non-empirique.