La mécanique quantique est sans aucun doute la théorie la mieux vérifiée qui n’a jamais existée. En se retournant vers le passé, nous constatons qu’un siècle de théorie quantique a non seulement changé la perception que nous avons de l’univers dans lequel nous vivons mais aussi est responsable de plusieurs concepts technologiques qui ont le potentiel de révolutionner notre monde. La présente dissertation a pour but de mettre en avance ces potentiels, tant dans le domaine théorique qu’expérimental. Plus précisément, dans un premier temps, nous étudierons des protocoles de communication quantique et démontrerons que ces protocoles offrent des avantages de sécurité qui n’ont pas d’égaux en communication classique. Dans un deuxième temps nous étudierons trois problèmes spécifiques en clonage quantique ou chaque solution apportée pourrait, à sa façon, être exploitée dans un problème de communication quantique. Nous débuterons par décrire de façon théorique le premier protocole de communication quantique qui a pour but la distribution d’une clé secrète entre deux parties éloignées. Ce chapitre nous permettra d’introduire plusieurs concepts et outils théoriques qui seront nécessaires dans les chapitres successifs. Le chapitre suivant servira aussi d’introduction, mais cette fois-ci penché plutôt vers le côté expériemental. Nous présenterons une élégante technique qui nous permettra d’implémenter des protocoles de communication quantique de façon simple. Nous décrirons ensuite des expériences originales de communication quantique basées sur cette technique. Plus précisément, nous introduirons le concept de filtration d’erreur et utiliserons cette technique afin d’implémenter une distribution de clé quantique bruyante qui ne pourrait pas être sécurisé sans cette technique. Nous démontrerons ensuite des expériences implémentant le tirage au sort quantique et d’identification quantique. Dans un deuxième temps nous étudierons des problèmes de clonage quantique basé sur le formalisme introduit dans le chapitre d’introduction. Puisqu’il ne sera pas toujours possible de prouver l’optimalité de nos solutions, nous introduirons une technique numérique qui nous permettra de mettre en valeur nos résultats.
La mécanique quantique est sans aucun doute la théorie la mieux vérifiée qui n’a jamais existée. En se retournant vers le passé, nous constatons qu’un siècle de théorie quantique a non seulement changé la perception que nous avons de l’univers dans lequel nous vivons mais aussi est responsable de plusieurs concepts technologiques qui ont le potentiel de révolutionner notre monde. La présente dissertation a pour but de mettre en avance ces potentiels, tant dans le domaine théorique qu’expérimental. Plus précisément, dans un premier temps, nous étudierons des protocoles de communication quantique et démontrerons que ces protocoles offrent des avantages de sécurité qui n’ont pas d’égaux en communication classique. Dans un deuxième temps nous étudierons trois problèmes spécifiques en clonage quantique ou chaque solution apportée pourrait, à sa façon, être exploitée dans un problème de communication quantique. Nous débuterons par décrire de façon théorique le premier protocole de communication quantique qui a pour but la distribution d’une clé secrète entre deux parties éloignées. Ce chapitre nous permettra d’introduire plusieurs concepts et outils théoriques qui seront nécessaires dans les chapitres successifs. Le chapitre suivant servira aussi d’introduction, mais cette fois-ci penché plutôt vers le côté expériemental. Nous présenterons une élégante technique qui nous permettra d’implémenter des protocoles de communication quantique de façon simple. Nous décrirons ensuite des expériences originales de communication quantique basées sur cette technique. Plus précisément, nous introduirons le concept de filtration d’erreur et utiliserons cette technique afin d’implémenter une distribution de clé quantique bruyante qui ne pourrait pas être sécurisé sans cette technique. Nous démontrerons ensuite des expériences implémentant le tirage au sort quantique et d’identification quantique. Dans un deuxième temps nous étudierons des problèmes de clonage quantique basé sur le formalisme introduit dans le chapitre d’introduction. Puisqu’il ne sera pas toujours possible de prouver l’optimalité de nos solutions, nous introduirons une technique numérique qui nous permettra de mettre en valeur nos résultats.
Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.
Dans ce mémoire, nous nous pencherons tout particulièrement sur une primitive cryptographique connue sous le nom de partage de secret. Nous explorerons autant le domaine classique que le domaine quantique de ces primitives, couronnant notre étude par la présentation d’un nouveau protocole de partage de secret quantique nécessitant un nombre minimal de parts quantiques c.-à-d. une seule part quantique par participant. L’ouverture de notre étude se fera par la présentation dans le chapitre préliminaire d’un survol des notions mathématiques sous-jacentes à la théorie de l’information quantique ayant pour but primaire d’établir la notation utilisée dans ce manuscrit, ainsi que la présentation d’un précis des propriétés mathématique de l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) fréquemment utilisé dans les domaines quantiques de la cryptographie et des jeux de la communication. Mais, comme nous l’avons mentionné plus haut, c’est le domaine cryptographique qui restera le point focal de cette étude. Dans le second chapitre, nous nous intéresserons à la théorie des codes correcteurs d’erreurs classiques et quantiques qui seront à leur tour d’extrême importances lors de l’introduction de la théorie quantique du partage de secret dans le chapitre suivant. Dans la première partie du troisième chapitre, nous nous concentrerons sur le domaine classique du partage de secret en présentant un cadre théorique général portant sur la construction de ces primitives illustrant tout au long les concepts introduits par des exemples présentés pour leurs intérêts autant historiques que pédagogiques. Ceci préparera le chemin pour notre exposé sur la théorie quantique du partage de secret qui sera le focus de la seconde partie de ce même chapitre. Nous présenterons alors les théorèmes et définitions les plus généraux connus à date portant sur la construction de ces primitives en portant un intérêt particulier au partage quantique à seuil. Nous montrerons le lien étroit entre la théorie quantique des codes correcteurs d’erreurs et celle du partage de secret. Ce lien est si étroit que l’on considère les codes correcteurs d’erreurs quantiques étaient de plus proches analogues aux partages de secrets quantiques que ne leur étaient les codes de partage de secrets classiques. Finalement, nous présenterons un de nos trois résultats parus dans A. Broadbent, P.-R. Chouha, A. Tapp (2009); un protocole sécuritaire et minimal de partage de secret quantique a seuil (les deux autres résultats dont nous traiterons pas ici portent sur la complexité de la communication et sur la simulation classique de l’état de GHZ).
Démonstration expérimentale d'avantage quantique pour des applications en calcul et en communication Les caractéristiques distinctives et souvent contre-intuitives de la mécanique quantique, telles que la superposition, l'absence de clonage et l'intrication, ont ouvert de nouvelles voies dans le domaine des sciences de l'information. Les chercheurs ont utilisé ces caractéristiques pour trouver des solutions efficaces à des problèmes de calcul difficiles et pour établir de nouveaux concepts de sécurité inviolables dans diverses tâches de communication. Cette thèse couvre un large éventail de sujets. Nous commençons par démontrer expérimentalement la quantité réduite de transfert d'informations nécessaire pour résoudre un problème spécifique. Ensuite, nous mettons en œuvre une technique cryptographique pour le jeu de pile ou face, en soulignant l'amélioration de la sensibilité à la tricherie offerte par le cadre quantique. En outre, dans le domaine de la cryptographie, nous avons étudié les moyens de rendre plus réalisable dans la pratique une fonctionnalité essentielle connue sous le nom de transfert oblivieux, qui s'appuie sur les ressources quantiques pour la sécurité du calcul. Ensuite, nous nous concentrons sur le problème de l'échantillonnage du boson, qui s'est avéré extrêmement difficile à l'aide de simulations classiques mais réalisable grâce à l'optique quantique ; nous avons cherché à mettre en œuvre un protocole de vérification pour cette tâche bien connue. Le système physique quantique qui sous-tend nos projets ultérieurs est entièrement basé sur l'optique quantique. Enfin, sur un plan plus théorique, nous avons cherché à approfondir le domaine des corrélations quantiques en développant des outils numériques pour caractériser la direction quantique au sein d'un réseau donné.
Cette these s'est elaboree dans cette periode de l'histoire de la cryptographie quantique ou plusieurs protocoles avaient ete proposes sans que leur fiabilite n'ait pu etre encore demontree, du moins pas face a toute attaque. De plus, certaines des attaques qui avaient ete mises de cote etaient en fait accessibles a l'aide de la technologie actuelle.
D'un autre cote, le but de la cryptographie quantique a toujours ete la conception de protocoles inconditionnellement fiables, cest-a-dire, fiables face a toute attaque permise par les lois de la physique sans consideration pour aucune contrainte dans le temps ou dans l'espace. Tel etait le niveau de fiabilite espere des protocoles quantiques proposes. Seule la cryptographie quantique pouvait meme oser offrir un tel niveau de securite.
Une certaine application appelee la mise en gage jouait un role primordial dans l'ensemble des applications proposees par les cryptographes quantiques et une preuve de securite inconditionnelle avait ete proposee par Brassard, Crepeau, Jozsa et Langlois pour un protocole realisant cette tache. Notre objectif de depart etait de demontrer que les protocoles de la cryptographie quantique permettent effectivement de realiser avec une securite inconditionnelle la plupart des applications proposees, pas seulement la mise en gage. Cependant, a notre grande surprise et a l'etonnement de plusieurs, nous avons au contraire demontre qu'un protocole quantique de mise en gage inconditionnelle fiable est impossible et ainsi avons remis serieusement en question une partie importante des applications de la cryptographie quantique, en plus d'avoir demoli la preuve mentionnee plus haut. Par contre, en nous appuyant sur les travaux de Bennett, Brassard, Crepeau, Salvail et plus recemment de Yao, nous avons obtenu une preuve de la securite inconditionnelle d'un protocole quantique de distribution de cle.
Un des principes importants que nous avons utilises dans notre these est celui qui dit que tous les phenomenes peuvent etre decrits comme l'execution d'une mesure quantique. De plus, nous avons utilise le fait que cette mesure peut elle-meme etre decrite comme une transformation unitaire sur le systeme qui est compose du systeme mesure, de l'appareil de mesure et du systeme final si celui-ci est different du systeme initial.
La cryptographie quantique a été largement définie comme une forme novatrice de cryptographie ne reposant sur aucune hypothèse de difficulté computationnelle. Cependant, avec l'évolution du domaine, et en particulier alors que la distribution quantique de clé (QKD) atteint des niveaux élevés de préparation technologique, il semble qu'il faille trouver un équilibre critique. D'une part, il y a la quête du niveau de sécurité théorique le plus élevé. D'autre part, une seconde direction consiste à optimiser la sécurité et la performance pour une utilisation réelle, tout en offrant un avantage par rapport à la cryptographie classique. Dans cette thèse, nous avons exploré de nouvelles voies vers cette seconde direction, à savoir la cryptographie quantique en conditions réelles.Dans le premier projet, nous défendons un message simple mais puissant : les attaques les plus dangereuses contre la QKD, pour lesquelles le développement de contre-mesures est crucial, sont les plus faciles à mettre en œuvre. Par conséquent, nous effectuons une évaluation de la vulnérabilité d'un dispositif de QKD à variables continues, proposant une nouvelle méthodologie pour la certification de sécurité basée sur le classement des attaques.Dans le deuxième projet, nous introduisons une construction explicite pour un protocole de distribution de clés dans le modèle de sécurité Quantum Computational Timelock (QCT), où l'on suppose que le chiffrement sécurisé computationnellement ne peut être rompu qu'après un temps bien plus long que le temps de cohérence des mémoires quantiques disponibles. En tirant parti des hypothèses QCT, nous construisons un protocole de distribution de clés basé sur le problème de Hidden Matching, pour lequel il existe un écart exponentiel en complexité de communication unidirectionnelle entre les stratégies classiques et quantiques. En particulier, en exploitant cet écart exponentiel, nous débloquons la possibilité d'envoyer plusieurs copies du même état pour réaliser un établissement de clé sécurisé à long terme avec des performances qui vont au-delà de la QKD standard.En nous appuyant sur notre travail théorique sur l'établissement de clés, dont la sécurité et l'efficacité reposent sur la capacité des deux parties à résoudre un problème de complexité de communication quantique plus efficacement que ce qui est possible classiquement, dans le dernier projet expérimental, nous étudions la faisabilité de démontrer un avantage quantique en complexité de communication. En particulier, nous exploitons le mélange de modes complexe inhérent aux fibres multimodes en employant des techniques de wavefront shaping pour aborder les problèmes de complexité de communication quantique.
Towards unclonable cryptography in the plain model La mécanique quantique génère de nouvelles menaces pour la cryptographie, mais elle offre également de nouveaux outils pour construire des primitives cryptographiques qui ne peuvent être réalisées dans le monde classique. Parmi ces primitives figurent les primitives inclonables, qui exploitent le théorème de non-clonage des états quantiques : la propriété surprenante qu’ils ne peuvent être copiés. Dans la première partie de cette thèse, nous donnons un aperçu approfondi des primitives inclonables, et en particulier de trois primitives principales : la quantum money, fournissant des jetons vérifiables inclonables; l’unclonable encrytion, un schéma de chiffrement avec chiffrés inclonables; et enfin la copy-protection, dans laquelle un vendeur envoie des programmes inclonables à ses clients. Nous définissons chacune de ces primitives, discutons de leur historique, et donnons des exemples de constructions. Dans la seconde partie, nous nous concentrons sur la copy-protection et l’unclonable encryption. Bien que ces primitives aient reçu beaucoup d’attention ces dernières années, elles ne sont pas encore entièrement comprises. En particulier, décider si elles existent dans le plain model (dans lequel nous ne pouvons pas utiliser d’oracles aléatoires (quantiques)) reste une question ouverte. Nous progressons vers cet objectif en présentant de nouvelles constructions pour ces primitives, avec une sécurité dans le plain model, en supposant de nouvelles conjectures. Pour prouver la sécurité de nos constructions, nous définissons et prouvons une nouvelle propriété dit de “monogamie” des coset states — sans doute les états quantiques les plus utiles lorsqu’il s’agit de construire des primitives inclonables. Nous pensons que cette nouvelle propriété est d’un intérêt indépendant. Comme contributions indépendantes, nous définissons deux nouvelles propriétés de sécurité pour une autre primitive inclonable, les tokenized signatures, et présentons une construction satisfaisant ces nouvelles propriétés. Les preuves de sécurité découlent de notre nouvelle propriété de “monogamie”, ainsi que d’une variante d’une des propriétés principales des coset states, que nous définissons et prouvons. Les protocoles cryptographiques inclonables nécessitent souvent une puissance quantique importante pour toutes les parties impliquées. Comme un tel modèle est peu susceptible d’être réalisable dans un avenir proche, nous examinons dans une troisième partie la cryptographie inclonable semi-quantique, dans laquelle des utilisateurs classiques interagissent avec un serveur quantique puissant. La plupart des primitives inclonables sont basées sur les coset states, nous construisons donc un protocole de préparation à distance de ces états, dans lequel un utilisateur classique fournit des instructions au serveur quantique sur la manière de construire coset states. De plus, cette préparation est effectuée de manière aveugle, dans le sens où le serveur n’a pas d’information sur les coset states qu’il a préparés. Cela nous permet d’utiliser ce protocole pour construire des primitives inclonables de manière semi-quantique.