Les réseaux et systèmes de télécommunications mondiaux fondent aujourd'hui leur confidentialité sur la cryptographie classique, qui repose sur des hypothèses mathématiques fragiles. La distribution quantique de clef (QKD) est aujourd'hui la seule façon connue pour distribuer des clefs avec une sécurité inconditionnelle. Ce travail de thèse contribue à combler de manière pluridisciplinaire et polyvalente le gap entre les limites physiques fondamentales et l'implémentation expérimentale, en termes de vitesse, fiabilité et robustesse. Dans un premier temps, nous avons donc proposé une implémentation du protocole BB84 utilisant les états de phase cohérents. Le récepteur homodyne a été conçu de manière à compenser les fluctuations de phase et de polarisation dans les interféromètres, ainsi que dans le reste du canal de propagation. Ensuite, nous avons mis en place un dispositif expérimental de système QKD à la longueur d'onde 1550 nm, avec une modulation QPSK fonctionnant avec un trajet et un sens de parcours uniques, dans une fibre optique mono-mode. Les deux schémas de détection: le comptage de photons (PC) et la détection homodyne équilibrée (BHD) ont été mis en œuvre. Enfin, nous avons effectué des comparaisons théoriques et expérimentales de ces deux récepteurs. Le récepteur BHD a été élaboré avec une décision à double seuil. La mise en œuvre d'un tel processus accepte des mesures non-conclusives, et réduit l'efficacité de génération des clés, mais reste encore bien meilleur que celle des PCs à 1550 nm. Nous avons également prouvé que ce système est robust sous la plupart des attaques potentielles.
Les réseaux et systèmes de télécommunications mondiaux fondent aujourd'hui leur confidentialité sur la cryptographie classique, qui repose sur des hypothèses mathématiques fragiles. La distribution quantique de clef (QKD) est aujourd'hui la seule façon connue pour distribuer des clefs avec une sécurité inconditionnelle. Ce travail de thèse contribue à combler de manière pluridisciplinaire et polyvalente le gap entre les limites physiques fondamentales et l'implémentation expérimentale, en termes de vitesse, fiabilité et robustesse. Dans un premier temps, nous avons donc proposé une implémentation du protocole BB84 utilisant les états de phase cohérents. Le récepteur homodyne a été conçu de manière à compenser les fluctuations de phase et de polarisation dans les interféromètres, ainsi que dans le reste du canal de propagation. Ensuite, nous avons mis en place un dispositif expérimental de système QKD à la longueur d'onde 1550 nm, avec une modulation QPSK fonctionnant avec un trajet et un sens de parcours uniques, dans une fibre optique mono-mode. Les deux schémas de détection: le comptage de photons (PC) et la détection homodyne équilibrée (BHD) ont été mis en œuvre. Enfin, nous avons effectué des comparaisons théoriques et expérimentales de ces deux récepteurs. Le récepteur BHD a été élaboré avec une décision à double seuil. La mise en œuvre d'un tel processus accepte des mesures non-conclusives, et réduit l'efficacité de génération des clés, mais reste encore bien meilleur que celle des PCs à 1550 nm. Nous avons également prouvé que ce système est robust sous la plupart des attaques potentielles.
Le travail proposé est une réflexion sur la sécurité de certains protocoles de distribution de clefs quantiques. Nous avons choisi d'utiliser la phase d'états cohérents à faible énergie pour porter notre information. Deux principaux axes sont mis en valeurs. Le premier est une étude sur l'apport d'un mode différentiel sur un protocole à modulation de phase utilisant des compteurs de photons, et le deuxième correspond à une réflexion sur l'apport d'un double seuil dans les mesures à détection homodyne. Dans la partie dévolue à l'étude de la sécurité en mode différentiel nous nous sommes attachés tout d'abord à comparer quantitativement la sécurité pour un système à référence de phase absolue et un système fonctionnant en mode différentiel. Nous avons montré un gain dans le système différentiel, car la sécurité se répartit à la fois individuellement et collectivement sur les qubits. Ensuite nous avons développé une étude sur l'introduction d'un double seuil dans un système de cryptographie quantique à détection homodyne. L'intérêt de cette technique est de pouvoir prendre du recul sur les mesures des qubits, et pouvoir prendre une décision au vu de la fiabilité du résultat d'une mesure. Nous avons ensuite étudié l'impact de différentes attaques courantes sur ce système à homodynage à double seuil.
La cryptographie quantique permet la distribution d’une cle de cryptage partagee entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la securite inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la theorie de l’information. Nous avons realise un demonstrateur complet de cryptographie quantique, fonde sur un protocole pour lequel l’information est codee sur des variables continues de la lumiere, a savoir les quadratures du champ electromagnetique Le systeme est exclusivement constitue de composants standard de l’industrie des telecommunications, qui permettent a Alice de ge���nerer les etats coherents de la lumiere puis de les moduler, et a Bob de mesurer ces etats grâce a une detection homodyne fonctionnant en regime impulsionnel et limite par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs developpe un logiciel complet de gestion de la distribution de cle, qui assure d’une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les retrocontroles necessaires pour la stabilite de celle-ci, et qui permet d’autre part l’extraction d’une cle secrete a partir des donnees partagees apres la transmission quantique. Le systeme a ete integre dans des boitiers rackables, afin d’effectuer une demonstration en vraie de grandeur dans le cadre d’un reseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installees dans la ville d Vienne (Autriche). Lors de cette demonstration, notre systeme a fonctionne en continu pendant 57 heures, a un taux moyen de 8kbit/s. Enfin, nous avons explore differentes possibilites d’amelioration du systeme, a travers un nouveau protocole de cryptologie et l’utilisation d’amplificateurs optiques.
Les protocoles de distribution quantique de clés (QKD) offrent une méthode fondamentalement sécurisée pour l’échange de clés de chiffrement, en s’appuyant sur les principes de la mécanique quantique. Parmi eux, le protocole BB84 est l’un des plus connus et des plus largement étudiés. Contrairement aux méthodes classiques de cryptographie, fondées sur la complexité algorithmique, la QKD permet à deux parties distantes de générer une clé secrète partagée tout en étant capables de détecter toute tentative d’interception.Dans ce projet, nous présentons l’implémentation expérimentale du protocole BB84 dans le cadre du développement d’un nouveau travail pratique destiné aux étudiants de deuxième année de l’Institut d’Optique Graduate School. L’objectif est de fournir une plateforme pédagogique robuste et concrète, permettant aux étudiants d’explorer les principes fondamentaux de la communication quantique.Notre dispositif repose sur une source de photons jumeaux (TPS), basée sur la conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire, produisant des paires de photons polarisés orthogonalement à une longueur d’onde de 1550,3 nm. Un photon est dirigé vers Alice, où il est préparé dans un état de polarisation défini via un modulateur électro-optique (EOM) contrôlé par une interface en C++ et une carte microcontrôleur. Le second photon est envoyé vers Bob, qui choisit aléatoirement une base de mesure grâce à un montage optique passif comprenant séparateurs de faisceaux et lames birefringentes.La détection est réalisée à l’aide de photodiodes à avalanche InGaAs (APD). Un corrélateur permet de mesurer les temps d’arrivée des photons et d’identifier les événements en coïncidence, condition nécessaire à la génération de la clé brute. Le corrélateur, contrôlé en Python, permet une acquisition automatisée des données avec une résolution temporelle de l’ordre de 13 ps. Chaque composant du montage (multiplexeurs WDM, séparateurs PBS, contrôleurs de polarisation...) a été testé individuellement avant d’être intégré au système global.Ce travail met en œuvre une plateforme modulaire et reproductible de distribution quantique de clé, à la fois adaptée à un usage pédagogique et ouverte à des explorations expérimentales plus avancées. Il offre aux étudiants une immersion concrète dans les technologies quantiques, et contribue à leur formation en optique quantique et en communication sécurisée.
Ces dernières années, les variables continues ont émergées en tant qu alternative aux variables discrètes dans les communications quantiques. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre des communications quantiques avec des variables continues. Les variables continues utilisées ici sont les quadratures d'un mode du champ électromagnétique. Pour les mesurer, nous avons construit une détection homodyne équilibrée, limitée au bruit de photons, impulsionnelle et résolue en temps. Celle-ci peut effectuer 800 000 mesures par seconde. En se fondant sur la limite de la duplication quantique, nous montrons qu'une valeur de la fidélité supérieure à 2/3 dans un protocole de téléportation quantique garantit que l'état téléporté est la meilleure copie qui reste de l'état d'entrée. Nous introduisons de nouveaux protocoles de distribution quantique de clef utilisant des variables quantiques continues, sûrs face à des attaques individuelles pour toute valeur de la transmission de la ligne optique entre Alice et Bob. En particulier, il n'est pas nécessaire que cette transmission soit plus grande que 50 % (moins de 3 dB de pertes). Ni compression des fluctuations quantiques, ni intrication ne sont nécessaires. Nous avons implémenté expérimentalement ces protocoles, en utilisant la détection homodyne limitée au bruit de photon mentionnée plus haut et des états cohérents. L'extraction complète de la clef secrète est réalisée en utilisant une technique de réconciliation par tranches inversée suivie d amplification de confidentialité. Notre dispositif expérimental produit un taux net de transmission de clef de 1,7 megabits par seconde pour une ligne sans pertes, et 75 kilobits par seconde pour une ligne avec 3,1 dB de pertes. Les limitations actuelles sont essentiellement techniques et proviennent surtout de l'efficacité limitée du logiciel de réconciliation.
Depuis son invention en 1984, la distribution de clé quantique (QKD) a effectué d'énormes progrès techniques qui ont notamment permis sa réalisation sur des réseaux de télécommunication ou encore entre un satellite et une station terrestre. Au cours de cette thèse, j'ai réalisé diverses expériences dans le but d'améliorer les performances de la QKD, en termes de taux de répétition et de praticité d'utilisation, mais surtout en termes de distance maximale et de taux de clés secrètes. La partie centrale de mon travail repose sur la réalisation d'une plateforme de QKD à grande vitesse basée sur un encodage en time-bin ayant un taux de répétition de 2.5 GHz. L'utilisation d'un protocole BB84 simplifié a permis d'obtenir un dispositif expérimental simple, comprenant notamment un unique modulateur électro-optique ainsi qu'un appareil de détection entièrement passif et comprenant seulement deux détecteurs de photons uniques. Ce dispositif a permis tout d'abord d'effectuer une expérience à longue distance. En le couplant à des détecteurs supraconducteurs combinant faible taux de bruit et haute efficacité de détection, il a été possible d'échanger des clés quantiques jusqu'à une distance record de 421 km de fibre optique. J'ai par ailleurs démontré la capacité du système à fonctionner avec des photodiodes à photon unique. Enfin, j'ai investigué le régime de fonctionnement à basse atténuation et haut taux de détection. Des taux de clés secrètes approchant 10 Mbps ont été obtenus, ce qui correspond à l'état de l'art actuel. De futures améliorations sont proposées en vue d'augmenter ces performances. J'ai également étudié la QKD basée sur la polarisation à l'aide d'une source d'états BB84 encodés en polarisation avec un taux de répétition de 625 MHz. Cette source a permis la réalisation d'un système BB84 complet capable d'obtenir des taux de clés secrètes de 23 bps à une distance de 200 km. Elle a également été utilisée dans une implémentation à haute vitesse du protocole detector-device-independent. Ce travail comprend une analyse détaillée de la sécurité de ce dernier.
La cryptographie quantique permet la distribution d'une clé de cryptage partagée entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l'information. Nous avons réalisé un démonstrateur complet de cryptographie quantique, fondé sur un protocole pour lequel l'information est codée sur des variables continues de la lumière, à savoir les quadratures du champ électromagnétique. Le système est exclusivement constitué de composants standard de l'industrie des télécommunications, qui permettent à Alice de générer les états cohérents de la lumière puis de les moduler, et à Bob de mesurer ces états grâce à une détection homodyne fonctionnant en régime impulsionnel et limitée par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs développé un logiciel complet de gestion de la distribution de clé, qui assure d'une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les rétrocontrôles nécessaires pour la stabilité de celle-ci, et qui permet d'autre part l'extraction d'une clé secrète à partir des données partagées après la transmission quantique. Le système a été intégré dans des boîtiers rackables, afin d'effectuer une démonstration en vraie grandeur dans le cadre d'un réseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installées dans la ville de Vienne (Autriche). Lors de cette démonstration, notre système a fonctionné en continu pendant 57 heures, à un taux moyen de 8 kbit/s. Enfin, nous avons exploré différentes possibilités d'amélioration du système, à travers un nouveau protocole de cryptographie et l'utilisation d'amplificateurs optiques.