Le sujet de la thèse est la construction d'une théorie perturbative des champs quantiques en interaction sur un espace-temps courbe, suivant un point de vue conçu par Stueckelberg et Bogoliubov et developpé par Epstein-Glaser sur l'espace de Minkowski plat. En 2000, un progrès important fut réalisé par Brunetti et Fredenhagen qui réussirent à étendre la théorie d'Epstein-Glaser en exploitant le point de vue développé par Radzikowski pour définir les états quantiques sur un espace-temps courbe en terme d'ensembles de front d'onde. Ces résultats furent ultérieurement généralisés par Fredenhagen, Brunetti, Hollands, Wald, Rejzner, etc. aux théories de Yang-Mills et de la gravitation. Cependant, même pour des théories sans invariance de jauge, de nombreux détails mathématiques sont restés inexplorés et parfois sans vérification. Nous construisons d'une façon totalement rigoureuse cette théorie dans le cas des champs sans invariance de jauge. Dans notre travail, nous revisitons complètement cette théorie, résolvant au passage plusieurs questions laissées en suspens, incorporant de nombreux résultats nouveaux autour de ce programme et, le cas échéant, apportant des détails beaucoup plus précis sur les contre-termes dans le processus de renormalisation, une compréhension plus approfondie des ambiguïtés et une description géométrique des ensembles de front d'onde.

Les deux principales prédictions de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe, à savoir la radiation de Hawking et la production de paires de particules ayant lieu dans un espace-temps non stationnaire, n'ont jamais été testé expérimentalement et impliquent toutes deux des processus à ultra haute énergie. En conséquence, de telles prédictions doivent être considérées prudemment. En utilisant l'analogie avec des systèmes de matière condensée mise en avant par Unruh, leur analogue pourrait être testé en laboratoire. Par ailleurs, dispersion et dissipation sont toujours présentes dans de tels systèmes, ce qui régularise la théorie à courte distances. Lors d'expériences destinées à tester les prédictions citées ci-dessus, le bruit thermique modifiera le résultat. En effet, il existe une compétition entre l'émission stimulée dudit bruit thermique et l'émission spontanée issue du vide quantique. Afin de mesurer la radiation de Hawking analogue et de l'analogue des productions de paires (souvent appelé effet Casimir dynamique), il est alors nécessaire de calculer les conséquence de la dispersion et de la dissipation, ainsi que d'identifier des observables permettant de certifier que l'amission spontanée a eu lieu. Dans cette thèse, nous analyserons d'abord les effets de la dispersion et de la dissipation à la fois sur la radiation de Hawking et sur la production de paires de particules. Afin d'obtenir des résultats explicites, nous travaillerons avec l'espace-temps de de Sitter. Les symétries de la théorie nous permettront d'obtenir des résultats exacts. Ceux-ci seront alors appliqués aux trous noirs grâce aux ressemblances entre la région proche du trou noir et l'espace de de Sitter. Afin d’introduire de la dissipation, nous considérerons un modèle exactement soluble permettant de modéliser n'importe quel taux de dissipation. Dans un tel modèle, le champ est couplé de manière linéaire à un environnement contenant un ensemble dense de degrés de liberté. Dans un tel contexte, nous étudierons l'intrication des particules produites. Ensuite, nous considérerons des systèmes de matière condensée spécifiques, à savoir les condensats de Bose et les polaritons. Nous analyserons les effets de la dissipation sur l'intrication de l’effet Casimir dynamique. Enfin, nous étudieront de manière générique l'intrication de la radiation de Hawking en présence de dispersion pour des systèmes analogues. / The two main predictions of quantum field theory in curved space-time, namely Hawking radiation and cosmological pair production, have not been directly tested and involve ultra high energy configurations. As a consequence, they should be considered with caution. Using the analogy with condensed matter systems put forward by Unruh, their analogue versions could be tested in the lab. Moreover, the high energy behavior of these systems is known and involved dispersion and dissipation, which regulate the theory at short distances. When considering experiments which aim to test the above predictions, the thermal noise will contaminate the outcome. Indeed, there will be a competition between the stimulated emission from thermal noise and the spontaneous emission out of vacuum. In order to measure the quantum analogue Hawking radiation, or the analogue pair production also called dynamical Casimir effect, one should thus compute the consequences of ultraviolet dispersion and dissipation, and identify observables able to establish that the spontaneous emission took place. In this thesis, we first analyze the effects of dispersion and dissipation on both Hawking radiation and pair particle production. To get explicit results, we work in the context of de Sitter space. Using the extended symmetries of the theory in such a background, exact results are obtained. These are then transposed to the context of black holes using the correspondence between de Sitter space and the black hole near horizon region. To introduce dissipation, we consider an exactly solvable model producing any decay rate. In such a model, the field is linearly coupled to an environment containing a dense set of degrees of freedom. We also study the quantum entanglement of the particles so produced. In a second part, we consider explicit condensed matter systems, namely Bose Einstein condensates and exciton-polariton systems. We analyze the effects of dissipation on entanglement produced by the dynamical Casimir effect. As a final step, we study the entanglement of Hawking radiation in the presence of dispersion for a generic analogue system.

Ce mémoire est consacré à l'étude mathématique de divers modèles variationnels permettant la description de systèmes quantiques, en particulier infinis. Les outils mathématiques utilisés sont ceux de l'analyse non linéaire, du calcul des variations, des équations aux dérivées partielles, de la théorie spectrale et du calcul scientifique. <br /><br />Une première partie contient quelques résultats pour des systèmes finis. Nous étudions des approximations de l'équation de Schrödinger pour N électrons dans une molécule ou un atome, puis le modèle de Hartree-Fock-Bogoliubov pour un système de fermions interagissant avec une force de type gravitationnelle.<br /><br />Dans une seconde partie nous proposons une nouvelle méthode pour démontrer l'existence de la limite thermodynamique pour des systèmes quantiques interagissant avec la force de Coulomb.<br /><br />Ensuite, nous construisons deux modèles de type Hartree-Fock pour des systèmes infinis. Le premier est un modèle relativiste, déduit de l'électrodynamique quantique, et qui permet de décrire le comportement d'électrons, couplés avec celui du vide de Dirac qui peut se polariser. Le second modèle décrit l'état d'un cristal non relativiste en présence d'un défaut chargé ; il est complété par une nouvelle approche numérique.<br /><br />La dernière partie du mémoire est consacrée au problème de pollution spectrale, un phénomène observé lorsque l'on cherche à calculer des valeurs propres au milieu du spectre essentiel, par exemple pour des opérateurs de Dirac ou de Schrödinger périodique.

The question of the possibility of intelligent machines is fundamentally intertwined with the machines’ ability to reason. Or not. The developments of the recent years point in a completely different direction : What we need is simple, generic but scalable algorithms that can keep learning on their own. This thesis is an attempt to find theoretical explanations to the findings of recent years where empirical evidence has been presented in support of phase transitions in neural networks, power law behavior of various entities, and even evidence of algorithmic universality, all of which are beautifully explained in the context of statistical physics, quantum field theory and statistical field theory but not necessarily in the context of deep learning where no complete theoretical framework is available. Inspired by these developments, and as it turns out, with the overly ambitious goal of providing a solid theoretical explanation of the empirically observed power laws in neu- ral networks, we set out to substantiate the claims that renormalization group theory may be the sought-after theory of deep learning which may explain the above, as well as what we call algorithmic universality. / La question de la possibilité de machines intelligentes est intimement liée à la capacité de ces machines à raisonner. Ou pas. Les développements des dernières années indiquent une direction complètement différente : ce dont nous avons besoin sont des algorithmes simples, génériques mais évolutifs qui peuvent continuer à apprendre de leur propre chef. Cette thèse est une tentative de trouver des explications théoriques aux constatations des dernières années où des preuves empiriques ont été présentées en faveur de transitions de phase dans les réseaux de neurones, du comportement en loi de puissance de diverses entités, et même de l'universialité algorithmique, tout cela étant parfaitement expliqué dans le contexte de la physique statistique, de la théorie quantique des champs et de la théorie statistique des champs, mais pas nécessairement dans le contexte de l'apprentissage profond où aucun cadre théorique complet n'est disponible. Inspiré par ces développements, et comme il s'avère, avec le but ambitieux de fournir une explication théorique solide des lois de puissance empiriquement observées dans les réseaux de neurones, nous avons entrepris de étayer les affirmations selon lesquelles la théorie du groupe de renormalisation pourrait être la théorie recherchée de l'apprentissage profond qui pourrait expliquer cela, ainsi que ce que nous appelons l'universialité algorithmique.