Dissertations / Theses on the topic 'Espace-temps quantiques'

Ce mémoire est une présentation de nos travaux de recherches s'étendant sur les dix dernières années. Ils ne sont pas consacrés à un domaine particulier de la physique, mais se répartissent suivant trois grands thèmes : aspects algébriques de la diffusion des ondes, utilisation des méthodes semiclassiques en diffusion et renormalisation en théorie des champs en espacetemps courbe.

Nous proposons de montrer que la signature Lorentzienne de la métrique d'espace-temps (+++-) n'est plus fixe à l'échelle de Planck lp et présente des "oscillations quantiques" entre les formes Lorentzienne et Euclidienne (+++±) jusqu'à l'échelle 0 où elle prend la forme Euclidienne (+ + + +). 1- Au plan algébrique, nous suggérons l'existence d'un "chemin de fluctuation" (3, 1)-(4, 0) excluant la signature ultra-hyperbolique (2, 2). Nous construisons l'espace topologique quotient *top décrivant la superposition des métriques Lorentzienne et Riemannienne. Nous montrons que *top comporte un point singulier S correspondant à l'origine de l'espace de superposition. En termes de groupes quantiques, nous établissons le lien entre q-déformation et "déformation" de la signature, notre principal résultat étant la construction du nouveau produit bicroisé cocyclique Mc(H). Une telle construction nous a permis de réaliser l'unification des signatures Lorentzienne et Euclidienne au sein du produit bicroisé cocyclique entre le groupe quantique Lorentzien Uq(so(3, 1)) et le groupe quantique Euclidien Uq(so(4))op. Nous suggérons aussi que la "semidualisation" de Majid décrit la transition q-Euclidien Æ q-Lorentzien. De même, la q-déformation de l'espace-temps indique que les structures naturelles Rq(4) et Rq(3,1) , covariantes sous Uq(so(4)) et Uq(so(3, 1)) sont reliées par semidualité. 2- Au plan physique, dans le cadre de la supergravité N=2, nous considérons qu'à l'échelle de Planck, le (pré)espace-temps est en état KMS (Kubo-Martin-Schwinger), le paramètre d'échelle ß du système étant complexe. L'algèbre de von Neumann associée à l'état non trivial des mesures sur la métrique à l'échelle de Planck est un facteur sans trace, de type IIIl. Nous étendons alors à l'échelle de supergravité la gravité relativiste et adoptons le Lagrangien L-supergravité = R2 + ßR + RR* incluant des termes de courbure quadratiques en R2, avec une composante physique (le terme d'Einstein ) associée à la signature Lorentzienne et une composante topologique (le terme topologique ) associée à la signature Euclidienne. La limite infrarouge de la théorie de superposition est alors donnée, à l'échelle de Planck, par le terme en R (+++-) tandis que la limite ultraviolette est donnée, à ß = 0, par le terme topologique RR* (++++). Nous proposons une dualité nouvelle entre instantons (secteur topologique) et monopôles (secteur physique) en dimension 4 représentant la superposition des métriques. 3- Au plan cosmologique, nous décrivons la Singularité Initiale de l'espace-temps par l'invariant topologique Is = Tr(-1)S, analogue au premier invariant de Donaldson. La Singularité Initiale, dont nous proposons la solution dans le cadre de la théorie topologique des champs, est ici identifiée à un instanton gravitationel singulier de rayon r = 0. Les observables physiques sont alors remplacées, à l'échelle 0, par des cycles d'homologie dans l'espace des modules des instantons. Nous conjecturons l'existence d'une amplitude topologique associée à une phase "d'expansion topologique" du pré-espace-temps de l'échelle 0 à l'échelle de Planck, précédant la phase d'expansion conventionnelle. L'expansion topologique du pré-espace-temps à partir de l'échelle 0 devrait alors correspondre à une pseudo-dynamique en temps imaginaire, que nous décrivons par le semi-groupe à un paramètre des automorphismes de l'algèbre M0,1 des pseudo-observables du système, M0,1 est un facteur à trace de type II*, associé à l'état ergodique de la mesure au voisinage de la Singularité Initiale.

L'espace-temps d'une corde cosmique rectiligne presente une structure globalement conique qui engendre quelques effets gravitionnels non triviaux. Nous etudions quelques uns de ces effets dans cette these. En particulier, nous considerons un champ scalaire massif en presence d'une corde cosmique avec flux magnetique sortant. L'analyse du champ scalaire est realisee par la construction de la fonction de green euclidienne et ensuite par l'utilisation de celle-ci pour determiner les valeurs moyennes dans le vide de tenseur impulsion-energie. Nous avons developpe une methode de determination de la fonction de green euclidienne selon laquelle la fonction de green peut s'ecrire convenablement sous une forme locale. Cette forme permet une renormalisation automatique des quantites physiques calculees

D’après la relativité générale, l’espace-temps n’est pas l’arène absolue imaginée par Newton, dans laquelle les particules se meuvent, sont créées ou annihilées. Au contraire, il s’agit d’un objet dynamique, identifié au champ gravitationnel, qui possède ses propres degrés de liberté locaux et, en tant que tel, peut être sujet à des fluctuations thermiques. Une meilleure compréhension des propriétés statistiques de ces fluctuations locales est essentielle pour la cosmologie primordiale, la gravité quantique, ou encore l’étude des trous noirs. Malheureusement, l’application de la mécanique statistique à des systèmes relativistes fait face à une difficulté conceptuelle majeure : l’absence de variable temporelle privilégiée. Dans cette thèse, nous présentons trois approches vers une formulation covariante de la mécanique statistique. D'abord, l’hypothèse de temps thermique renverse la logique habituelle en proposant que l’existence d’un temps privilégié dérive de l’état dans lequel se trouve le système. Une autre voie consiste à étendre l’hypothèse ergodique de la mécanique statistique standard, afin d’inclure les moyennes temporelles définies au moyen d’horloges internes au système. Enfin, l’idée que la thermodynamique pourrait trouver son origine à l’échelle microscopique dans l’intrication des systèmes quantiques est étudiée, l’état statistique étant alors déterminé par la structure de l’espace de Hilbert. Dans tous les cas, la notion de sous-système apparaît comme étant l’élément essentiel pour parvenir à une formulation covariante de la mécanique statistique
According to general relativity, spacetime is not the absolute arena that Newton had imagined, where particles move, are created or annihilated. Instead, it is a dynamical object identified with the gravitational field, that possesses its own local degrees of freedom and, as such, can be subject to thermal fluctuations. A better understanding of the statistical properties of these local fluctuations would be highly relevant for early cosmology, quantum gravity, or the study of black holes. Unfortunately, the application of statistical mechanics ideas to relativistic systems faces a major conceptual difficulty: the absence of a preferred time. In this thesis, we present three approaches to covariant statistical mechanics. First, the thermal time hypothesis reverses the common logic and proposes the existence of a preferred time to be subsequent to the actual state of the system. An alternative path consists in extending the ergodic hypothesis of standard statistical mechanics to include time averages performed using internal clocks. Lastly, the idea that thermodynamics could find its origin at the microscopic scale in the entanglement of quantum systems is studied, the statistical state being then determined by the structure of the Hilbert space. In all cases, the notion of subsystem appears as the essential element to achieve a covariant formulation of statistical mechanics

Les dynamiques causales de graphes sont une double extension des automates cellulaires : la grille sous-jacente est étendue à un graphe arbitraire de degré borné et le graphe lui-même peut évoluer dans le temps.Dans le régime réversible, nous prouvons qu’une dynamique causale de graphes peut être réversible tout en créant/détruisant des sommets, à travers trois différents modèles, que nous prouvons équivalents.En s'appuyant sur ces résultats, nous exhibons des dynamiques causales à la fois réversibles et croissantes en espace, ce qui apporte un nouveau regard sur la compatibilité entre la flèche du temps et la réversibilité. Nous définissons une notion de \subshift de graphes, qui peut être utilisée pour étudier les dynamiques causales de graphes en unifiant les dimensions temporelles et spatiales, de la même manière que les automates cellulaires 1D peuvent être étudiés par des \subshifts de type fini 2D.Dans le régime quantique, notre première contribution est de fournir une définition rigoureuse de l'espace d'état. Une question notable était de savoir si les noms des sommets sont nécessaires; nous prouvons que c'est le cas afin d'empêcher une propagation de l'information plus rapide que la lumière. Nous soulignons également que les renommages sur les graphes sont l'analogue nativement discret des changements de coordonnées
Causal graph dynamics are a twofold extension of cellular automata: the underlying grid is extended to an arbitrary graph of bounded degree and the graph itself can evolve in time.In the reversible regime, we prove that causal graph dynamics can be reversible while creating/destroying vertices, through three different models that we prove to be equivalent.Based on these results, we exhibit causal dynamics that are both reversible and increasing in space, which brings new insights into the compatibility between the time arrow and reversibility. We define a notion of graph subshifts, which can be used to study causal dynamics of graphs by unifying temporal and spatial dimensions, in the same way that 1D cellular automata can be studied with 2D subshifts of finite type.In the quantum regime, our first contribution is to provide a rigorous definition of state space. A notable question was whether vertex names are necessary; we prove they are indeed necessary in order to prevent faster-than-light signaling. We also point out that renaming on graphs is the natively discrete analog of coordinate changes

Dans de nombreux domaines de la physique, la mesure de la position d'un objet dans l'espace-temps est faite par échange d'impulsions lumineuses. Dans cette thèse, nous étudions les limites quantiques dans l'estimation d'un paramètre à l'aide de la lumière, et nous nous intéressons à ces limites dans une mesure de distance à l'aide de peignes de fréquences optiques. Dans un premier temps, nous étudions les limites générales d'une estimation de paramètre données par la limite de Cramér-Rao quantique. En particulier, nous présentons la limite de sensibilité dans une estimation faite à l'aide d'états Gaussiens multimodes et démontrons qu'il est possible d'atteindre la limite théorique à l'aide d'un montage expérimental simple. Dans un deuxième temps, nous appliquons cette limite au problème de positionnement dans l'espace-temps à l'aide de peignes de fréquence. Dans un environnement contrôlé tel que le vide, nous montrons que la sensibilité optimale dépasse celle d'un montage interférométrique ou de temps de vol et peut être obtenue à l'aide de techniques de mise en forme d'impulsion. Nous démontrons expérimentalement la limite quantique standard dans une mesure de distance. Dans un dernier temps, nous étudions comment ce protocole optimal est affecté lorsque la dispersion de l'environnement, par exemple dans l'air, entre en jeu. Nous montrons que la perte d'exactitude due aux fluctuations de l'environnement peut être compensée au prix d'une diminution de la précision. Nous présentons un protocole expérimental pour une mesure en temps réel d'une distance insensible aux perturbations atmosphériques
In many fields of physics, the determination of the space-time position of an object is performed at high levels of accuracy and precision by the exchange of light pulses. In this thesis, we investigate the quantum limits in a parameter estimation scheme using light in a practical point of view, and we study how these limits apply in a range-finding scheme using optical frequency combs. In a first part, we study the quantum limits in a general parameter estimation problem by the means of the quantum Cramér-Rao bound. We focus on schemes involving multimode Gaussian states and derive the limits of sensitivity in the estimation of any parameter encoded in such states. We show that a simple experimental setup allows to optimally measure the parameter carried by the light. In a second part, we study how these limits apply in a range-finding protocol using optical frequency combs. In a well-controlled environment such as vacuum, we show that there exists an optimal scheme, requiring pulse shaping techniques, which sensitivity is better than the usual phase interferometry and time-of-flight measurements. We present experimental results that exhibits the standard quantum limit in space-time positioning. In the last part, we study the limitations introduced to this optimal scheme when the environment is weakly dispersive, like in air. We demonstrate that the loss of accuracy caused by such environmental fluctuations can be compensated at the expense of a reduced sensitivity. We propose an experimental scheme that allows to perform a real-time ranging measurement immune from atmospheric perturbations, without any knowledge of the values of the environmental parameters

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et –q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM
This thesis focuses on the study of spin waves in n-doped CdMnTe quantum wells using respectively time-resolved Kerr rotation (TRKR) and four-wave mixing (FWM) techniques. We studied three high mobility samples with different characteristics.The TRKR technique gives access only to zero wave vector excitations, in our case the spin- flip wave q = 0 . We studied the anticrossing that appears between the spin -flip wave and the manganese spin -flip excitation. We studied the gap variation energy between these modes as function on the power excitation and the magnetic field. In particular, we have extended the measurements of mixed modes at lower Mn concentration (up 0.07 %) and contrary to what were expected; we found that the strong coupling regime persists at this concentration.We are then interested in determining the two dimensional electron gas spin polarization ζ, which can be deduced from the energy coupling between the mixed modes. We found that the measured polarization exceeds the theoretical polarization calculated taking into account the increased susceptibility by many-body effects. We also measured the electron spin relaxation time and we have shown that it is influenced by thermal effects inherent to optical pump-probe experiments on this time.In the second part of this thesis, we studied by FWM the damping and the dispersion of the non-zero wave vector spin waves for one of our samples. We have demonstrated that we can actually generate spin waves in femtosecond excitation and deted them by FWM. We found that the dispersion is lower than that observed in the Raman experiments. This low dispersion may be due to the strong excitation density used in the FWM experiments (typically three to four orders of magnitude higher than the Raman ones) and / or the fact that two waves of wave vector q and - q, having different dispersions are simultaneously probed in FWM

La géométrie noncommutative est un formalisme mathématique qui exprime la structure de l’espace-temps avec des algèbres d’opérateurs. On s’attend à ce que les espace-temps noncommutatifs fassent émerger des effets de gravité quantiques, au moins dans un certain régime, notamment parce qu’ils utilisent les outils de la mécanique quantique pour décrire la géométrie. Ce manuscrit se concentre sur les aspects physiques de ces espace-temps quantiques, tout particulièrement à travers le formalisme des théories de champs et de jauge. Il est montré que les théories de champs scalaires engendrent possiblement des divergences dans l’infra-rouge et l’ultra-violet pour la fonction 2-point à une boucle. Ce phénomène s’appelle génériquement le mélange UV/IR et découle de la divergence du propagateur. L’analyse de ces divergences diffèrent du cas commutatif car l’espace des moments y est noncommutatif. D’autre part, une théorie de jauge sur κ-Minkowski, une déformation quantique de l’espace de Minkowski, est construite. Un premier calcul perturbatif produit une brisure de l’invariance de jauge, un comportement pathologique commun à d’autres espace-temps quantiques. Un modèle-jouet de causalité est aussi développé sur κ-Minkowski, dans lequel apparaît un analogue de la vitesse de lumière comme vitesse limite. La phénoménologie de la gravité quantique émergeant des espace-temps quantiques est abordée, avec les contraintes qu’elle impose. Finalement, un modèle-jouet de gravité noncommutative, utilisant κ-Minkowski pour décrire l’espace tangent, est traité. Il nécessite le concept de partition de l’unité noncommutative spécialement défini dans ce contexte
Noncommutative geometry is a mathematical framework that expresses the structure of space-time in terms of operator algebras. By using the tools of quantum mechanics to describe the geometry, noncommutative space-times are expected to give rise to quantum gravity effects, at least in some regime. This manuscript focuses on the physical aspects of these so-called quantum space-times, in particular through the formalism of field and gauge theories. Scalar field theories are shown to possibly trigger mixed divergences in the infra-red and ultra-violet for the 2-point function at one loop. This phenomenon is generically called UV/IR mixing and stems from a diverging behaviour of the propagator. The analysis of such divergences differs from the commutative case because the momentum space is now also noncommutative. From another perspective, a gauge theory on κ-Minkowski, a quantum deformation of the Minkowski space-time, is derived. A first perturbative computation is shown to break the gauge invariance, a pathological behaviour common to other quantum space-times. A causality toy model is also developed on κ-Minkowski, in which an analogue of the speed-of-light limit emerges. The phenomenology of quantum gravity arising from quantum space-times is discussed, together with the actual constraints it imposes. Finally, a toy model for noncommutative gravity is tackled, using the former κ-Minkowski space-time to describe the tangent space. It necessitates the notion of noncommutative partition of unity specifically defined there

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.

Ce manuscrit de thèse rassemble quelques résultats concernant des problèmes de quantification. Il est divisé en deux parties : la quantification de champs invariants conforme sur l'espace-temps de de Sitter et deux quantifications par états cohérents. • La première partie s'inscrit dans un programme de quantification systématique et rigoureux, proche de l'axiomatique de Wightman, des champs sur l'espace-temps de de Sitter. Plus particulièrement, nous avons étudié les champs admettant une extension (naturelle) au groupe conforme. Après avoir clarifié les notions d'invariance sous les transformations de Weyl et sous le groupe conforme SO0(2, d) nous avons établi un point de vue géométrique reliant/déformant les champs sur l'espace-temps de (anti-)de Sitter à ceux sur l'espace-temps de Minkowski, tout en gardant transparente l'action du groupe conforme. Cette méthode nous a permis d'obtenir le propagateur du champ vectoriel invariant conforme, qui adopte alors une forme particulièrement simple et compacte. Enfin, notre approche se généralise aux champs tensoriels de rang plus élevé invariants conformes sur l'espace-temps de de Sitter. • La seconde partie de ce travail concerne l'utilisation des états cohérents dans les problèmes de quantification. Suivant la géométrie ou la topologie de l'espace des phases, nombres d'observables ne peuvent être quantifiées en suivant les règles de quantification canonique. En un certain sens la quantification par états cohérents, et leurs généralisations, permet de contourner ces difficultés, ou, du moins, fournit des idées quant à la façon de les contourner. Par exemple, la particule dans un puits infini de potentiel est un modèle pour la quantification par états cohérents comme l'opérateur impulsion, en dépit d'être symétrique, n'est pas auto-adjoint et, ainsi, ne peut vérifier les relations de commutation canonique (théorème de Pauli). Grâce à une nouvelle famille d'états cohérents vectoriels nous avons pu quantifier, de manière cohérente, la particule dans le puits infini de potentiel. Enfin, nous avons abordé la fuzzyfication de l'hyperboloïde, c'est-à-dire la quantification de l'espace-temps de de Sitter lui-même, grâce à une nouvelle base d'états cohérents vectoriels.

Ce manuscrit de thèse rassemble quelques résultats concernant des problèmes de quantification. Il est divisé en deux parties : la quantification de champs invariants conforme sur l'espace-temps de de Sitter et deux quantifications par états cohérents. La première partie s'inscrit dans un programme de quantification systématique et rigoureux, proche de l'axiomatique de Wightman, des champs sur l'espace-temps de de Sitter. Plus particulièrement, nous avons étudié les champs admettant une extension au groupe conforme. En utilisant les notions d'invariance sous les transformations de Weyl et sous le groupe conforme SOo(2,d) nous avons établi un point de vue géométrique reliant les champs sur l'espace-temps de de Sitter à ceux sur Minkowski. Cette méthode nous a permis d'obtenir le propagateur du champ vectoriel invariant conforme et se généralise aux champs tensoriels de rang plus élevé invariants conformes sur l'espace-temps de de Sitter. La seconde partie de ce travail concerne l'utilisation des états cohérents dans les problèmes de quantification. La particule dans un puit infini de potentiel est un modèle pour la quantification par états cohérents comme l'opérateur impulsion, en dépit d'être symétrique, n'est pas auto-adjoint et, ainsi, ne peut vérifier les relations de commutation canonique (théorème de Pauli). Grâce à une nouvelle famille d'états cohérents vectoriels nous avons pu quantifier, de manière cohérente, la particule dans 1e puit infini de potentiel. Enfin, nous avons abordé la fuzzyfication de l'hyperboloïde, c'est-à-dire la quantification de l'espace-temps de de Sitter lui-même, grâce à une nouvelle base d'états cohérents vectoriels
This manuscript is devoted to quantization problems in mathematical and theoretical physics. It is divided into two subjects: conformally invariant fields on de Sitter spacetime and quantization through coherent states. The first subject follows a comprehensive program of covariant quantization of fields in de Sitter spacetime, whose spirit is close to the Wightman axiomatic. We paid a particular attention to the quantization of fields that could be extended to the conformal group. We developed a geometric point of view enabling us to link fields on de Sitter and Minkowski spacetimes while keeping transparent the action of the conformal group. This geometric viewpoint led us to the expression of a new propagator for the vector potential. Finally, this approach allowed us to set up a general framework to compute higher rank conformally invariant tensors, in de Sitter space-time. The second subject deals with coherent states and their use in quantization problems. The particle in an infinite well is a toy model for this type of CS quantization since the momentum operator, in spite of being symmetric, is not self-adjoint and there is impossibility of canonical commutation rule (Pauli Theorem). Thanks to a new family of 2-component vector-valued coherent states, we were able, to quantize, in a consistent way, the particle in the infinite well. Finally, we began the fuzzyfication of the hyperboloid, that is the quantization of the de Sitter spacetime itself, through generalized coherent states

Le sujet de la thèse consiste à appliquer des techniques d'analyse microlocale à la construction d'états de Hadamard pour des champs de Dirac, pour des espaces-temps généraux sous des hypothèses faibles sur leur comportement à l'infini. Dans une deuxième partie il s'agira, pour des espaces temps asymptotiquement statiques, de construire les états de vide entrants et sortants et de montrer leur propriété de Hadamard
This thesis is about applying microlocal techniques to the construction of Hadamard states for Dirac fields on curved spacetimes with weak conditions on their asymptotical behaviors. In a second time we will focus on the construction of in and out vacuum states and prove their Hadamard property

Nous étudions d'abord divers aspects de la quantification des champs dans les espaces­temps maximalement symétriques. En particulier :Nous construisons une théorie quantique du champ scalaire de masse nulle en espace-temps de de Sitter. Nous considérons les effets d'une température, en espace-temps Anti-de Sitter, sur un champ scalaire quantique. Nous développons ensuite une méthode de renormalisation du tenseur d'impulsion­ énergie des champs quantiques. Celle-ci est fondée sur le développement de Hadamard des fonctions de Green. Elle nous permet de trouver :L'expression générale, dans un espace-temps quelconque, du tenseur d'impulsion-énergie d'un champ scalaire. L'expression, dans les espaces-temps d'Einstein, du tenseur d'impulsion­ énergie des gravitons, à partir de l'action effective standard puis de l'action effective invariante par reparamétrisation de Vilkovisky et DeWitt.

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

Il semblerait d’après les propos d’Einstein que la physique ne parvienne pas à saisir la singularité du Maintenant. Dans ce travail de recherche, nous nous intéressons à ce qui rend le présent particulier : en quoi le présent est-il différent du passé et du futur ? Est-il véritablement inaccessible à la physique ? Quelle est la nature du rapport entre présent et réalité ? D’où notre triangle problématique articulé autour des notions réel-présent-physique. Dans un premier temps nous analysons le statut du présent en physique classique, puis à partir du débat métaphysique actuel sur le temps, et plus particulièrement à partir de la linguistique et de la logique modale, nous nous interrogeons sur la réalité du présent. Cela nous amène à aborder des théories telles que le Présentisme, le Growing Block, ou encore le Futurisme à branches. La question de l’existence du présent passe également pour nous par l’étude du « problème du temps » en gravité quantique. Enfin, dans une troisième et dernière partie, nous construisons le Présentisme Quantique. Pour cela, nous adoptons la méthode de Gilbert Simondon, et nous traitons la singularité du présent à partir du processus même d’individuation du présent
It would seem from Einstein's words that physics fails to capture the singularity of the Now. In this research, we are interested in what makes the present special : how is the present different from the past and the future? Is it really inaccessible to physics? What is the nature of the relationship between the present and reality? Hence our problematic triangle articulated around real-present-physics notions. At first, we analyze the status of the present in classical physics, then from the current metaphysical debate on time, and more particularly from linguistics and modal logic, we question the reality of the present. This leads us to approach theories such as the Presentism, the Growing Block, or the Branching-Futurism. The question of the existence of the present also requires for us the study of the "problem of time" in quantum gravity. Finally, in a third and last part, we construct Quantum Presentism. For this, we use Gilbert Simondon's method, and we deal with the singularity of the present from the very process of individuation of the present

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 definir 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. Dans cette thèse, on construit d'une façon totalement rigoureuse cette théorie dans le cas des champs sans invariance de jauge. Dans mon travail, j' ai revisité 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. L'ensemble de la thèse utilise un large éventail de techniques mathématiques : de la géométrie différentielle et pseudo riemannienne, des techniques d'analyse micro-locale et de géométrie symplectique pour les fronts d'onde, de l'analyse fonctionnelle, des résultats fins de la théorie des distributions
The subject of the thesis is the construction of a perturbative quantum theory of interacting fields on a curved space-time, following a point of view pioneered by Stueckelberg and Bogoliubov and developed by Epstein-Glaser on the flat Minkowski space-time. In 2000 a breakthrough was done by Brunetti and Fredenhagen who were able to extend the Epstein-Glaser theory by exploiting the point of view developed by Radzikowski to define quantum states on a curved space-time in terms of wave-front sets. These results were further extended by Fredenhagen, Brunetti, Hollands, Wald, Rejzner, etc. To Yang-Mills fields and the gravitation. However, even for theories without gauge invariance, many mathematical details were left unexplored and unquestioned. The task of Viet was precisely to derive fully rigorously this theory in the case there is no gauge invariance. In my work, I propose a complete review of the result, solving numerous questions, adding many new results around this program and, eventually, giving more precise details on the counterterms and ambiguities in the renormalization process, and a deeper understanding of the geometry of the wave front set of the n-point functions. All this thesis uses various mathematical techniques: differential and pseudo Riemannian geometry, microlocal analysis and the symplectic geometry of wavefront sets, functional analysis, fine results from the theory of distributions, Hopf algebras, etc

Nous proposons une dérivation théorético-informationnelle de la théorie quantique via une axiomatique informationnelle. La 1ère partie de la thèse est consacrée aux fondements philosophiques de cette approche. Elle est présentée dans un cadre épistémologique sous la forme d'une boucle entre descriptions théoriques. La 2ème partie est consacrée à la dérivation du formalisme de la théorie quantique. Nous posons un système d'axiomes et nous analysons le double rôle de l'observateur. A l'aide des techniques de la logique quantique, nous établissons les théorèmes montrant les étapes de la reconstruction du formalisme de la théorie quantique. Dans la 3ème partie, nous introduisons la théorie des C*-algèbres et nous proposons de cette dernière une interprétation théorético-informationnelle. Nous concluons par une liste de problèmes ouverts dans l'approche informationnelle, y compris ceux relevant des sciences cognitives, de la théorie de la décision et des technologies de l'information.

Ce travail est consacré à l'étude de systèmes mécaniques, classiques ou quantiques, admettant le groupe su(1,1) comme groupe d'invariance. Les principaux thèmes abordés ont été les suivants: * la notion de contraction des représentations a été revisitée en utilisant les calculs symboliques. ** la correction metaplectique dans la quantification des systèmes de masse non nulle sur l'espace-temps anti-de Sitter en dimension 1+1 a permis de construire un modèle pour l'oscillateur harmonique relativiste. Outre une construction rigoureuse et explicite ce modèle présente l'avantage d'une très riche structure analytique fournissant en particulier un calcul symbolique efficace pour traiter la théorie des perturbations. *** il est montré que l'interprétation physique des orbites nilpotentes de so(1,2) conduit à mettre en exergue la notion d'invariance par dilatations. Cette invariance convenablement exploitée, fournit une quantification de cette orbite par une méthode proche de la méthode des orbites et cette quantification est bien celle imposée par l'interprétation physique (quantification sur espace-temps courbe). Ceci conduit au résultat inattendu que la représentation qui doit être associée aux orbites nilpotentes de so(1,2) est une extension indécomposable du premier terme (et non la limite) de la série discrète des représentations. De plus l'étude de la contraction de so(1,2) vers le groupe de Poincaré et de la quantification du groupe conforme confirme ce résultat

La cosmologie moderne amène à étudier la théorie quantique des champs en espace-temps courbe. Les champs scalaires légers, notamment, génèrent un mécanisme simple pour l'inflation et les fluctuations primordiales. Cependant, les calculs de boucles de ces modèles contiennent des divergences infrarouges et séculaires qui requièrent des techniques de resommation. Dans ce but, on implémente le groupe de renormalisation non perturbatif pour des champs scalaires en espace-temps de De Sitter. Dans un premier temps, on applique l'Approximation de Potentiel Local (APL). On démontre que les effets infrarouges sont responsables d'une restauration de la symétrie, et qu'une masse est générée en accord avec l'approche stochastique. On étudie ensuite la limite d'espace-temps plat de notre formalisme en prenant la courbure $H\to 0$, ce qui reproduit un certain nombre de résultats connus. Enfin, on s'intéresse à l'expansion dérivative, qui va au-delà de l'APL. Son implémentation semble trop complexe dans le cas général d'un espace-temps courbe, mais les symétries de De Sitter permettent de trouver une représentation simple. On définit une prescription pour tous les ordres de l'expansion, puis on implémente le flot du terme de premier ordre dans le cas simple où la dépendance en champ est négligée
The nonperturbative renormalization group for quantum field theory in de Sitter space.The study of cosmology draws us to the topic of quantum fields in curved space-time. In particular, light scalar fields offer a simple mechanism for inflation and primordial fluctuations. When computing loop corrections to these models however, infrared and secular divergences appear which call for resummation techniques. To this end, we implement the nonperturbative renormalization group for quantum scalar fields on a fixed de Sitter background. First, the Local Potential Approximation (LPA) is applied. We show that there is always symmetry restoration due to infrared effects, and that mass is generated in agreement with the stochastic approach. Next, we study the flat space limit of our formalism by taking the curvature $H\to0$, and we check that it reproduces a number of known results. Finally, we discuss the derivative expansion, which goes beyond the LPA. Its implementation seems too complex in general curved space-times, but de Sitter symmetries allow for a simpler representation. We define a prescription for all orders of the expansion, and discuss the flow of the first order term in the simple case where we neglect the field dependency (LPA')

Depuis 1916, l'étude des Trous Noirs a soulevé des questions intrigantes. Seulement certaines ont été résolues. En effet, nous faisons face à des régimes où s’entremêlent la théorie quantique et l'espace-temps. Les TN comme porte d'entrée pour comprendre la nature quantique de la gravité. Ma thèse a été entièrement dédiée à ce domaine central de la physique théorique, avec pour but la compréhension la plus large possible des débats autour de ces questions. C'est ainsi qu'ont été produits des résultats originaux qui constituent le cœur de ce manuscrit. 1-Les surfaces de volume maximal des TN sont étudiées. Un TN astrophysique terminera sa vie avec une aire planckienne de $10^{-70} m^2$ dissimulant $10^5$ fois le volume de l'univers observable. Ceci peut avoir des conséquences sur la viabilité du "remnant scenario" comme solution au paradoxe de l'information. 2-Le scénario "trou-noir-trou-blanc" est fortement instable. Une modification minimale est proposée pour résoudre ce problème. 3-Une généralisation des quatre lois de la thermodynamique des TN est démontrée pour des cônes de lumière s'intersectant dans un espace de Minkowski. 4-On étudie des espaces conformellement plats où de telles lois acquièrent une interprétation thermodynamique standard. Le plus simple est l'espace-temps de Bertotti-Robinson, connu pour encoder la géométrie proche de l'horizon d'un TN chargé. 5-Pour peu que le bon tenseur énergie-impulsion soit identifié, les équations du champ Einstein-Cartan peuvent être retrouvées comme l'équation d'état d'un équilibre thermodynamique, comme dans le cas original de la RG. Ces résultats contribuent au débat intense sur les questions cruciales posées ci-dessus
Since 1916 intriguing questions have arisen from the study of Black Holes (BH). Only some of them have been resolved. Indeed, we are faced with regimes where the yet unknown interplay between quantum theory and spacetime unveils. BH physics is a gateway to the quantum nature of gravity. My thesis has been completely devoted to this central domain of theoretical physics, with the guiding aim of understanding in the widest possible manner the debate around those questions. The process has produced original results that constitute the main core of the manuscript. 1- The maximal volume surfaces of evaporating BHs are studied. An astrophysical BH will end its life with an external planckian area $10^{-70} m^2$ hiding $10^5$ times the volume of our observable Universe. This can have consequences on the viability of the “remnant scenario” as solution to the BH information paradox. 2- The “black-hole-to-white-hole scenario” is analyzed. The model is shown to be strongly unstable, and a minimal resolutive modification is proposed. 3- A generalisation of the four laws of BH thermodynamics is proven for intersecting light cones in Minkowski spacetime. 4- Conformally flat spaces where such laws acquire the standard thermodynamical interpretation are studied. The simplest one is the Bertotti-Robinson spacetime, known to encode the near-horizon geometry of a charged BH. 5- It is shown that, if the correct energy-momentum tensor is identified, the Eintein-Cartan’s field equations can be recovered as a thermodynamical equilibrium equation of state just like in the GR original case. Such results contribute to the intense debate on the opening crucial questions

Un des grand défis de la physique actuelle est la quantification de la gravit é. La théorie d’Einstein est remarquable pour ses prédictions. Malheureusement, elle reste une théorie classique et de ce fait en désaccord avec les progrès actuels en physique des particules qui montrent qu’à faible distance, une théorie physique doit être quantique. Une des pistes pour résoudre ce problème est d’étudier la version classique de la gravité dans l’espoir d’en déduire des propriétés ou même la forme de la théorie quantique.

Un des outils pour étudier une theorie est la notion de dualité. On dit que deux théories sont duales quand elles décrivent le même système par des moyens différents. La dualité est le dictionnaire permettant de passer d’une description à l’autre. Dans ma thèse, j’ai étudié deux dualités s’appliquant à la gravité en 4 dimensions.

La première est connue sous le nom de dualité électromagnétique. A l’origine, cette dualité s’applique à l’électromagnétisme où elle échange les rôles du champ &
Doctorat en Sciences
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L'étude des espaces-temps plats singuliers munis d'une surface de Cauchy polyédrale est motivée par leur rôle de model jouet de gravité quantique proposé par Deser, Jackiw et 'T Hooft. Cette thèse porte sur les paramétrisations de certaines classes d'espaces-temps plat singuliers : les espaces-temps plats avec particules massives et BTZ Cauchy-compacts maximaux. Deux paramétrisations sont proposées, l'une reposant sur une extension du théorème de Mess aux espaces-temps plats avec BTZ et la surface de Penner-Epstein, l'autre reposant sur une généralisation du théorème d'Alexandrov aux espaces-temps plats avec particules massives et BTZ. Ce travail propose également une amorce de cadre théorique permettant de considérer des espaces-temps singuliers plus généraux
The study of singular flat spacetimes with polyhedral Cauchy-surfaces is motivated by the quantum gravity toy model role they play in the seminal work of Deser, Jackiw and 'T Hooft. This thesis study parametrisations of classes of singular flat spacetimes : Cauchy-compact maximal flat spacetimes with massive and BTZ-like singularities. Two parametrisations are constructed. The first is based on an extension of Mess theorem to flat spacetimes with BTZ and Penner-Epstein convex hull construction. The second is based on a generalisation of Alexandrov polyhedron theorem to radiant Cauchy-compact flat spacetimes with massive and BTZ-like singularities. This work also initiate a wider theoretical background that encompass singular spacetimes

Le paradigme ΛCDM est le modèle standard de la cosmologie. Dans ce modèle, l'univers est constitué aujourd'hui en majeure partie par de la matière noire froide (CDM) et la constante cosmologique Λ qui produit l'accélération cosmique. Cependant, ce modèle standard n'est pas entièrement complet. L'utilisation de la constante cosmologique introduit des problèmes théoriques dans une description de la théorie des champs quantiques et des indications observationnelles suggèrent que notre description à grande échelle de l'univers devrait être affinée. Ainsi, trouver des alternatives au modèle standard est d'une importance cruciale aujourd'hui
The ΛCDM paradigm is the standard model of cosmology. In this model, the universe is constituted today for the major part by Cold Dark Matter along with the Cosmological Constant Λ that drives cosmic acceleration. However, this standard model is not fully complete. Using the Cosmological Constant introduces theoretical issues in a quantum field theory description and tentative observational evidences suggests our large scale description of the universe should be refined. Finding alternatives to the standard model is therefore of crucial importance today

Le problème des singularités en relativité générale remonte à la première solution exacte de la théorie obtenue en 1915, à savoir celle du trou noir de Schwarzschild. Qu'elles soient de coordonnée ou de courbure, ces singularités ont longtemps questionné les physiciens qui parvinrent à mieux les caractériser à la fin des années 1960. Cela conduisit aux fameux théorèmes sur les singularités, s'appliquant à la fois aux trous noirs et en cosmologie, basés sur un comportement classique du contenu en matière de l'espace-temps résumé par des conditions d'énergie. La violation de ces conditions dans les processus quantiques pourrait indiquer que les singularités doivent être vues comme des limitations de la relativité générale, pouvant ainsi disparaître dans une théorie plus générale de la gravité quantique.Dans l'attente d'une telle théorie, nous avons pour objectif dans cette thèse d'étudier les espaces-temps de trous noirs dépourvus de toute singularité ainsi que leurs conséquences observationnelles. A cette fin, nous considérons à la fois des modifications de la relativité générale et le couplage de la théorie à des contenus en matière exotiques. Dans le premier cas nous montrons qu'il est possible de retrouver des trous noirs réguliers à symétrie sphérique connus, tout d'abord en principe avec la théorie tenseur-scalaire de gravité mimétique, puis implicitement par le biais d'une déformation de la contrainte hamiltonienne en relativité générale inspirée des techniques de gravitation quantique à boucles. Dans le second cas nous restons dans le cadre de la relativité générale, et considérons des tenseurs énergie-impulsion effectifs. Ils sont en premier lieu associés à un modèle régulier à la Hayward en rotation fournissant dans un certain régime un premier exemple de trou noir en rotation exempt de toute singularité, puis à un espace-temps dynamique décrivant la formation et l'évaporation d'un trou noir sans singularité. Pour ce dernier, nous montrons que tout modèle basé sur l'effondrement gravitationnel de coquilles de genre lumière visant à décrire l'évaporation de Hawking est voué à violer les conditions sur l'énergie dans une région non compacte de l'espace-temps. Enfin, l'étude théorique de la métrique de Hayward en rotation est accompagnée de simulations numériques d'un tel objet au centre de la Voie Lactée, obtenues à l'aide du code de calcul de trajectoires de particules Gyoto en reproduisant les propriétés connues de la structure d'accrétion du trou noir présumé Sgr A*. Ces simulations permettent d'illustrer deux régimes très différents de la métrique, avec ou sans horizon, et soulignent la difficulté d'affirmer avec certitude la présence d'un horizon à partir d'images en champ fort telles que celles obtenues par l'instrument Event Horizon Telescope
The issue of singularities in General Relativity dates back to the very first solution to the equations of the theory, namely Schwarzschild's 1915 black hole. Whether they be of coordinate or curvature nature, these singularities have long puzzled physicists, who managed to better characterize them in the late 60's. This led to the famous singularity theorems applying both to cosmology and black holes, and which assume a classical behaviour of the matter content of spacetime summarized in the so-called energy conditions. The violation of these conditions by quantum phenomena supports the idea that singularities are to be seen as a limitation of General Relativity, and would be cured in a more general theory of quantum gravity. In this thesis, pending for such a theory, we aim at investigating black hole spacetimes deprived of any singularity as well as their observational consequences. To that purpose, we consider both modifications of General Relativity and the coupling of Einstein's theory to exotic matter contents. In the first case, we show that one can recover the static spherically symmetric non-singular black holes of Bardeen and Hayward in principle in mimetic gravity, and implicitly by a deformation of General Relativity's hamiltonian constraint in an approach based on loop quantum gravity techniques. In the second case, we stay inside the framework of General Relativity and consider effective energy-momentum tensors associated with a fully regular rotating Hayward metric and with a dynamical spacetime describing the formation and evaporation of a non-singular black hole. For the latter, we show that all models based on the collapse of ingoing null shells and willing to describe Hawking’s evaporation are doomed to violate the energy conditions in a non-compact region of spacetime. Lastly, the theoretical study of the rotating Hayward metric comes with numerical simulations of such an object at the center of the Milky Way, using the ray-tracing code Gyoto and mimicking the known properties of the accretion structure of Sgr A*. These simulations allow exhibiting the two very different regimes of the metric, with or without horizon, and emphasize the difficulty of asserting the presence of a horizon from strong-field images as the ones provided by the Event Horizon Telescope