Cette thèse s'attaque à deux problèmes majeurs de l'information quantique: - Comment caractériser efficacement un système quantique? - Comment stocker de l'information quantique? Elle se divise done en deux parties distinctes reliées par des éléments techniques communs. Chacune est toutefois d'un intérêt propre et se suffit à elle-même. Caractérisation pratique des systèmes quantiques. Le calcul quantique exige un très grand contrôle des systèmes quantiques composés de plusieurs particules, par exemple des atomes confinés dans un piège électromagnétique ou des électrons dans un dispositif semi-conducteur. Caractériser un tel système quantique consiste à obtenir de l'information sur l'état grâce à des mesures expérimentales. Or, chaque mesure sur le système quantique le perturbe et doit done être effectuée après avoir repréparé le système de façon identique. L'information recherchée est ensuite reconstruite numériquement à partir de l'ensemble des données expérimentales. Les expériences effectuées jusqu'à présent visaient à reconstruire l'état quantique complet du système, en particulier pour démontrer la capacité de préparer des états intriqués, dans lesquels les particules présentent des corrélations non-locales. Or, la procédure de tomographie utilisée actuellement n'est envisageable que pour des systèmes composés d'un petit nombre de particules. Il est donc urgent de trouver des méthodes de caractérisation pour les systèmes de grande taille. Dans cette thèse, nous proposons deux approches théoriques plus ciblées afin de caractériser un système quantique en n'utilisant qu'un effort expérimental et numérique raisonnable. - La première consiste à estimer la distance entre l'état réalisé en laboratoire et l'état cible que l'expérimentateur voulait préparer. Nous présentons un protocole, dit de certification, demandant moins de ressources que la tomographie et très efficace pour plusieurs classes d'états importantes pour l'informatique quantique. - La seconde approche, dite de tomographie variationnelle, propose de reconstruire l'état en restreignant l'espace de recherche à une classe variationnelle plutôt qu'à l'immense espace des états possibles. Un état variationnel étant décrit par un petit nombre de paramètres, un petit nombre d'expériences peut suffire à identifier les paramètres variationnels de l'état expérimental. Nous montrons que c'est le cas pour deux classes variationnelles très utilisées, les états à produits matriciels (MPS) et l'ansatz pour intrication multi-échelle (MERA). Mémoires quantiques auto-correctrices 2D. Une mémoire quantique auto-correctrice est un système physique préservant de l'information quantique durant une durée de temps macroscopique. Il serait done l'équivalent quantique d'un disque dur ou d'une mémoire flash équipant les ordinateurs actuels. Disposer d'un tel dispositif serait d'un grand interêt pour l'informatique quantique. Une mémoire quantique auto-correctrice est initialisée en préparant un état fondamental, c'est-à-dire un état stationnaire de plus basse énergie. Afin de stocker de l'information quantique, il faut plusieurs états fondamentaux distincts, chacun correspondant à une valeur différente de la mémoire. Plus précisément, l'espace fondamental doit être dégénéré. Dans cette thèse, on s'intéresse à des systèmes de particules disposées sur un réseau bidimensionnel (2D), telles les pièces sur un échiquier, qui sont plus faciles à réalisér que les systèmes 3D. Nous identifions deux critères pour l'auto-correction: - La mémoire quantique doit être stable face aux perturbations provenant de l'environnement, par exemple l'application d'un champ magnétique externe. Ceci nous amène à considérer les systèmes topologiques 2D dont les degrés de liberté sont intrinsèquement robustes aux perturbations locales de l'environnement. - La mémoire quantique doit être robuste face à un environnement thermique. Il faut s'assurer que les excitations thermiques n'amènent pas deux états fondamentaux distincts vers le même état excité, sinon l'information aura été perdue. Notre résultat principal montre qu'aucun système topologique 2D n'est auto-correcteur: l'environnement peut changer l'état fondamental en déplaçant aléatoirement de petits paquets d'énergie, un mécanisme cohérent avec l'intuition que tout système topologique admet des excitations localisées ou quasiparticules. L'intérêt de ce résultat est double. D'une part, il oriente la recherche d'un système auto-correcteur en montrant qu'il doit soit (i) être tridimensionnel, ce qui est difficile à réaliser expérimentalement, soit (ii) être basé sur des mécanismes de protection nouveaux, allant au-delà des considérations énergétiques. D'autre part, ce résultat constitue un premier pas vers la démonstration formelle de l'existence de quasiparticules pour tout système topologique.

Ces dix dernières années, les méthodes hybrides QM/MM combinant la mécanique quantique (QM) et la mécanique moléculaire (MM) se sont revélées particulièrement bien adaptées à l'étude des systèmes chimiques et biologiques. Elles ont permis la compréhension de nombreux phénomènes intervenant dans les macromolécules. Cependant, certaines situations requièrent une attention spéciale et/ou un niveau d'analyse et de théorie plus poussé. Ainsi, de nombreux développements sont nécessaires pour atteindre un niveau de précision suffisant à la compréhension du phénomène biochimique étudié. Afin d'atteindre cet objectif, plusieurs spécificités théoriques et méthodologiques sont en continuelle amélioration : (i) la jonction QM/MM est toujours un sujet délicat dans les méthodes mixtes et un axe de recherche très fécond. (ii) la complexité des mécanismes étudiés impose un traitement de la partie QM à des niveaux post-HF. Dans cette thèse, nous présenterons principalement la méthode Local Self-Consistent Field (LSCF), ainsi que ses derniers développements méthodologiques. Dans cette approche, la jonction entre les parties QM et MM est représentée à l'aide d'une orbitale localisée. Nous montrerons qu'elle permet de traiter de façon rigoureuse un grand nombre de situations faisant intervenir des systèmes biologiques, comme les ionisations de coeur et les spectres d'absorption UV-vis de polypeptides fonctionalisés. De plus, nous présenterons quelques développements théoriques, comme la dérivation détaillée des équations Coupled-Perturbed Hartree-Fock dans le cadre de la méthode LSCF, ainsi que les principales étapes aboutissant à la détermination des gradients de l'énergie MP2. / Over the last decade, hybrid QM/MM methods combining Quantum Mechanics (QM) and Molecular Mechanics (MM) methods have proven to be particularly suitable for studying chemical and biological systems. They have permitted to tackle a wide range of phenomena which take place in macromolecular systems. However, special care is needed from a technical and theoretical point of view, and many developments have to be done to reach the level of accuracy that is required to study chemical or biochemical phenomena. In order to reach such goals, several theoretical and methodological developments are in constant improvement: (i) the QM/MM frontier is still a "hot topic" and a prolific research area. (ii) highly correlated methods (post-HF) are compulsory to attain the desired details of description of the chemical mechanisms. In this thesis, we present the Local Self-Consistent Field (LSCF) method. A special emphasis is given to the methodological developments. Within this method, the junction between the QM and the MM parts is described by means of a localized orbitals. We show that it allows the rigorous treatment of a wide range of chemical properties, such as core ionizations and the UV-vis spectra of azobenzene molecule grafted on polypeptides. Moreover, we present some theoretical developments: the Coupled-Perturbed Hartree-Fock equations are derived within the LSCF framework.The main steps that lead to the determination of the MP2 gradients are also given.

Le dopage des nano-fils de semi-conducteurs est un paramètre essentiel gouvernant leurs propriétés optiques et de transport. Alors que dans les fils d'une centaine de nanomètres de diamètre les impuretés servant au dopage se comportent certainement comme dans le matériau massif, les confinements quantique et diélectrique influent fortement sur leur structure électronique pour des dimensions de l'ordre de la dizaine de nanomètres ou en dessous. Les récentes techniques de croissance des nano-fils semi-conducteurs ouvrent de grandes opportunités pour des applications à l'échelle nanométrique. Ils restent semi-conducteurs indépendamment de leur diamètre et de leur orientation, donnant la possibilité de contrôler leurs propriétés par dopage. Alors qu'il n'y a pas de doute que des nano-fils de type p et n peuvent être produits, la question sur «comment leur conductivité électrique dépend du dopage ?» reste largement ouverte. En fait, la plupart des travaux montrant de bonnes propriétés de transport concernent des nano-fils dopés avec une forte concentration de dopants (près de la densité de Mott ou au dessus). Dans ce cadre, notre travail présentera les résultats de calculs de structure électronique d'impuretés hydrogénoïdes dans des nano-fils de silicium. L'évolution de l'énergie de liaison des donneurs et accepteurs sera présentée en fonction de la taille des nano-fils. Des simulations de l'efficacité de dopage à température ambiante permettront de prédire des caractéristiques essentielles du transport électronique dans les nano-fils. Nous montrons que l'énergie de liaison croit, dû aux confinements. Le confinement quantique pour les petites tailles de nano-fils (diamètre < 5 nm) et le confinement dit « diélectrique» qui se produit quand il y a une importante discontinuité entre la constante diélectrique dans le nano- fil et celle de son environnement. Pour les nano- fils dans un environnement avec une faible constante diélectrique, nous montrons que les impuretés ne peuvent être ionisées à température ambiante même pour des diamètres jusqu'à quelques dizaines de nanomètres. Nous expliquons l'origine de ce comportement en considérant l'effet du potentiel de l'impureté et de la self-énergie des porteurs, nous donnons l'énergie d'ionisation dans différentes configurations. Ces résultats nous permettent de conclure qu'un fort dopage est nécessaire pour obtenir de bonnes propriétés électriques dans le nano-fil. / Recent breakthroughs in the growth of semiconductor nanowires (SNWs) have opened up great opportunities for nanoscale device applications. SNWs remain semiconducting independent oftheir diameter and orientation, giving the ability to control their properties by doping. Therefore a large number of experimental works have addressed the problem of doping and of its modulation in SNWs. While there is no doubt that p- and n-type SNWs can be produced, the question of how their electrical conductivity depends on the doping level remains largely open. ln fact, most of the works showing good transport properties concern SNWs doped with high impurity concentration, near or above the Mott density. ln order to investigate the doping efficiency in SNWs, we present calculations of the electronic structure of donor and acceptor impurities in Si nanowires. We show that their ionization energy increases due to the confinement, the quantum confinement at small sizes (diameter < 5 nm) and above aIl the so-called dielectric confinement which occurs when there is an important dielectric mismatch between the wire and its surrounding. For SNWs embedded in a material with a low dielectric constant, we obtain that the impurities cannot be ionized at room temperature even for diameters up to several tens of nanometers. We explain the origin of this behavior by considering the effect of the impurity potential and of the self-energy of the carrier, and we make predictions for the ionization energy in different configurations. These results allow us to conclude on the necessity to use heavy doping to obtain good electrical properties in SNWs.

L’étude de nouveaux composé s D- A, constitué s d’un donneur et d’un accepteur d’électrons connecté s par un pont , a constitué un très important thème de recherche pendant la dé cade passé e. Ces composé s sont principalement utilisé s dans les cellules sensibilisé es par colorants (DSSCs), où Ils pré sentent une caractéristique spécifique, la conversion de la lumière en électricité . Dans cette thèse, deux séries de colorants ont été synthétisées: la première contient un groupe alkyle et la seconde des groupes alcoxyle. Dans ce qui suit, ils seront nommé s M8- n (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6) et M8-On (n = 1, 2), respectivement. L’étude théorique permet la détermination des changements structurels, pour chaque composé et solvant. Il a été trouvé une relation entre les angles dièdres entre le donneur et l’accepteur. Bien que le pont soit invariant, il existe un effet parmi les substituent pair et impair, celui des impaires est plus grands (en valeur) que celui des paires. Alors, le rendement quantique suit cette tendance, soit : M8-1 > M8-2, M8-3 < M8-4 y M8-5 > M8-6. En outre, il y a deux angles diè dres (déterminé s théoriquement), An-CO (apparenté avec l’anneau de benzène) et Al- CO (apparenté avec le groupe aliphatique). Ces angles suivent M8-1 >M8-2, M8-3 <M8-4 y M8-5 > 6 et M8-1 < M8-2, M8-3 > M8-4 y M8-5 < M8-6, respectivement. De plus, les caractéristiques photovoltaïques ont été mesurées dans des cellules utilisant 3 types différents deTiO2 qui présentent des rugosités différentes: Degussa (D), Actif opaque (A) y transparent (T). Les rendements obtenus avec M8-1 sont 1,08 % (D); 1,40 % (A) et 1,32 % (T). / The study of new D- A compounds, which have in their structure a donor and an acceptor of electrons, both connected by a bridge, has been a critical topic during the present decade. They are mainly used in dyesensitized solar cells (DSSCs), where it takes advantage of a specific characteristic, the lightto- electricity conversion. In this thesis, two series of dyes were synthesized: the first, modified with an alkyl groups and the second, with alcoxyl groups. From here forward, they will be named M8-n (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6) and M8-On (n = 1, 2), respectively. The theoretical study enables determining a structural change, in every compound and solvent. It was found a relationship in the dihedral angle between the donor and acceptor moieties. Although, the bridge is invariant, it exists an even odd effect in the substituents, being the odd ones bigger (in value) than even ones. So, the quantum yield values follow the trend: M8-1 > M8-2, M8-3 < M8-4 y M8-5 > M8-6. Besides, there are two dihedral angles (theoretically determined), An-CO (related with the benzene ring) and Al-CO (related with the aliphatic group). These angles follow: M8-1 >M8-2, M8- 3 <M8-4 and M8-5 > 6 and M8-1 <M8-2, M8-3 >M8-4 and M8-5 <M8-6, respectively. Additionally, the photovoltaic characteristics were measured using 3 different kinds of TiO2 with different roughness: Degussa (D); Active opaque (A) y transparent (T). It is shown that there is no difference in the composition among these TiO2 materials. The efficiencies for M8-1 are 1.08 % (D); 1.40 % (A) and 1.32 % (T).

Extr. de: Diss.--Physique--Regensburg (Allemagne)--Universität Regensburg, 2000. / Bibliogr. p. 141-143.

Academic dissertation--theoretical chemistry--Göteborg university, 2004. / Bibliogr. p. 63-67.

Texte remanié de--Philosophie--Paris I, 1978. / Bibliogr. p. 189-194. Thèse soutenue sous le titre : "De l'histoire à l'analyse des premiers travaux sur la mécanique quantique"

Th.--Sci. phys.--Paris--Faculté des sciences, 1924. / En appendice, choix de documents en fac-sim.

Cette thèse est consacrée à l’étude des propriétés électroniques de nanostructures par microscopie à force atomique (AFM) en ultra-vide. La première partie de ce travail a consisté à caractériser localement des nanofils de silicium et germanium par technique d’AFM conducteur. Les expériences de conduction locale sur nanofils inclinés montrent que la conduction des nanofils intrinsèques est dominée par un transport en surface, associé à la présence de résidus catalytiques métalliques. Cette conduction peut être partiellement supprimée (par désoxydation) ou exaltée (par traitement thermique). Une caractérisation qualitative du dopage de ces nanostructures est présentée, par technique de microscopie à sonde de Kelvin.La deuxième partie de la thèse a consisté à étudier le transfert de charges et les propriétés d’ionisation de nanocristaux de silicium passivés hydrogène, dopés de type n (P) ou p (B), fabriqués par dépôt plasma. L’analyse des images de microscopie à sonde de Kelvin en modulation d’amplitude sous ultra-vide montre que le transfert de charges des nanocristaux de silicium correspond à un mécanisme de compensation d’énergie, exalté par le confinement quantique. Les résultats expérimentaux fournissent une mesure de l’ouverture de la bande interdite des nanocristaux due au confinement quantique, dans la gamme 2-50nm, en accord quantitatif avec des calculs en liaisons fortes. Ils mettent en avant la possibilité d’utiliser des nanocristaux dopés comme sources d’électrons pour réaliser un dopage sélectif contrôlé de nanostructures ou nanodispositifs, avec des densités dans les gammes de 2×10 11-10 14 cm-2 ou 8×10 5-2×10 7 cm-1. / We study the electronic properties of nanostructures using atomic force microscopy in ultra-high vacuum environment. The first part of this work consists in the characterization of silicon and germanium nanowires grown by metal-catalyzed chemical vapour deposition on silicon substrates, using conducting atomic force microscopy. The electrical transport at room and low-temperature through individual nanowires has been measured as a function of the position along tilted nanowires. It is shown that the conduction properties of as-grown intrinsic silicon nanowires are dominated by the presence of gold catalyst residues along their surface, which can be either partially suppressed (e.g. by a de-oxidation step), or enhanced upon heat treatment. The second part of this work consists in studying the charge transfer and ionization properties of hydrogen-passivated phosphorus-doped and boron-doped silicon nanocrystals grown by plasma enhanced chemical vapor deposition on silicon substrates, using ultra high vacuum amplitude modulation Kelvin force microscopy. It is demonstrated that the charge transfer from silicon nanocrystals follows an energy compensation mechanism, which is enhanced by quantum confinement. The results provide a measurement of the nanocrystal conduction band-gap opening due to quantum confinement in the 2-50nm range, in agreement with parametrized tight-binding calculations. They also put forward the possibility to use doped nanocrystals as electron sources to achieve a controlled remote doping of nanostructures and devices with typical two-dimensional charge densities in the range of 2×10 11-10 14 cm-2, or linear charge densities in the range of 8×10 5-2×10 7 cm-1.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique : Lyon 1 : 2002. / Titre provenant de l'écran titre. 61 réf. bibliogr.