Les ?volutions r?centes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le march? des appareils de distribution quantique de cl? secr?te (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discr?tes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des syst?mes de d?tection coh?rente (CV). Les avanc?es technologiques s'orientent maintenant vers la r?alisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes ? utiliser.L'objectif de cette th?se est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique int?gr? en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'?tats coh?rents. Deux approches sont utilis?es: dans la premi?re l'?metteur Alice et le r?cepteur Bob sont sur le m?me circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxi?me ils sont s?par?s.Les valeurs mesur?es des param?tres de la communication permettent d'?changer une cl? secr?te.
Les ?volutions r?centes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le march? des appareils de distribution quantique de cl? secr?te (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discr?tes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des syst?mes de d?tection coh?rente (CV). Les avanc?es technologiques s'orientent maintenant vers la r?alisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes ? utiliser.L'objectif de cette th?se est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique int?gr? en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'?tats coh?rents. Deux approches sont utilis?es: dans la premi?re l'?metteur Alice et le r?cepteur Bob sont sur le m?me circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxi?me ils sont s?par?s.Les valeurs mesur?es des param?tres de la communication permettent d'?changer une cl? secr?te.
Étude experimentale de l'intégration d'un systèm de distribution quantique de clé à variables continues sur un circuit optique en silicium Les évolutions récentes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le marché des appareils de distribution quantique de clé secrète (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discrètes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des systèmes de détection cohérente (CV). Les avancées technologiques s'orientent maintenant vers la réalisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes à utiliser.L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique intégré en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'états cohérents. Deux approches sont utilisées: dans la première l'émetteur Alice et le récepteur Bob sont sur le même circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxième ils sont séparés.Les valeurs mesurées des paramètres de la communication permettent d'échanger une clé secrète.
La distribution quantique de clé (QKD) est une des premières technologies quantiques qui ait atteint un stade commercial, en proposant une solution au problème de la distribution d’une clé cryptographique entre deux entités, et en garantissant une sécurité à long terme. Elle est maintenant proche de la maturité technologique, et plusieurs méthodes sont disponibles en pratique. Cette thèse étudie la distribution quantique de clé à variables continues (CV-QKD), qui a plusieurs éléments communs avec les communications optiques cohérentes classiques, et qui pourrait permettre à beaucoup d’utilisateurs d’accéder à la QKD.L’utilisation de techniques de traitement numérique (Digital Signal Processor ou DSP), typiques en communications classiques, a été seulement partiellement exploitée dans les implémentations CV-QKD précédentes. Dans ce travail nous mettons en œuvre expérimentalement des techniques usuelles dans les communications classiques, comme la mise en forme d’impulsions, le filtrage adaptatif et la récupération de mode. Notre objectif est d’augmenter ainsi le taux de clé secrète, et d’optimiser l’utilisation de la bande passante disponible.La possibilité d'intégrer des composants dans un circuit photonique (PIC) est un autre avantage de CV-QKD. Nous avons testé un PIC en silicium intégrant un coupleur hybride 180º et deux photodiodes en germanium. Les paramètres mesurés sont compatibles avec la génération de clé secrète dans ces dispositifs.Un des facteurs les plus limitants de QKD est la chute des performances dans les canaux ayant des pertes très élevées, typiquement des fibres optiques dont la longueur dépasse la centaine de kilomètres. Mais la distance utile peut être étendue notablement en utilisant des liens en espace libre, en particulier avec des satellites, où les pertes à une certaine distance peuvent être inférieures à celles des fibres. Nous considérons un modèle pour le canal descendant et prédisons les taux de clé secrète attendus à différentes altitudes pour CV-QKD. Ces résultats aboutissent à une technologie potentiellement utilisable pour les communications par satellite, en étendant la portée jusqu’à des distances intercontinentales.
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.
Conception et réalisation de dispositifs de distribution de clé quantique à variables continues à haute performance. La distribution quantique de clé (QKD) est une des premières technologies quantiques qui ait atteint un stade commercial, en proposant une solution au problème de la distribution d’une clé cryptographique entre deux entités, et en garantissant une sécurité à long terme. Elle est maintenant proche de la maturité technologique, et plusieurs méthodes sont disponibles en pratique. Cette thèse étudie la distribution quantique de clé à variables continues (CV-QKD), qui a plusieurs éléments communs avec les communications optiques cohérentes classiques, et qui pourrait permettre à beaucoup d’utilisateurs d’accéder à la QKD.L’utilisation de techniques de traitement numérique (Digital Signal Processor ou DSP), typiques en communications classiques, a été seulement partiellement exploitée dans les implémentations CV-QKD précédentes. Dans ce travail nous mettons en œuvre expérimentalement des techniques usuelles dans les communications classiques, comme la mise en forme d’impulsions, le filtrage adaptatif et la récupération de mode. Notre objectif est d’augmenter ainsi le taux de clé secrète, et d’optimiser l’utilisation de la bande passante disponible.La possibilité d'intégrer des composants dans un circuit photonique (PIC) est un autre avantage de CV-QKD. Nous avons testé un PIC en silicium intégrant un coupleur hybride 180º et deux photodiodes en germanium. Les paramètres mesurés sont compatibles avec la génération de clé secrète dans ces dispositifs.Un des facteurs les plus limitants de QKD est la chute des performances dans les canaux ayant des pertes très élevées, typiquement des fibres optiques dont la longueur dépasse la centaine de kilomètres. Mais la distance utile peut être étendue notablement en utilisant des liens en espace libre, en particulier avec des satellites, où les pertes à une certaine distance peuvent être inférieures à celles des fibres. Nous considérons un modèle pour le canal descendant et prédisons les taux de clé secrète attendus à différentes altitudes pour CV-QKD. Ces résultats aboutissent à une technologie potentiellement utilisable pour les communications par satellite, en étendant la portée jusqu’à des distances intercontinentales.
Conception d'un circuit en photonique sur silicium pour des applications en cryptographie quantique La distribution quantique de clés (QKD) offre une sécurité inconditionnelle fondée sur les principes de la mécanique quantique, représentant une solution prometteuse face aux vulnérabilités des protocoles cryptographiques classiques exposés aux capacités de calcul en constante évolution. Pour permettre un déploiement à grande échelle des systémes QKD, une plateforme stable, scalable et économiquement viable est essentielle. Dans ce contexte, la photonique sur silicium s'impose comme un candidat solide, offrant une compatibilité CMOS, une densité d'intégration élevée et des procédés de fabrication matures. Cette thèse explore la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'une source QKD intégré réalisé sur une plateforme en silicon-on-insulator (SOI).Le travail commence par une introduction à la QKD et à la photonique intégrée, en examinant les principes théoriques et les motivations technologiques qui motivent leur intégration conjointe. En se basant sur le protocole choisi, les composants nécessaires à la réalisation d'un émetteur intégré sont identifiés et étudiés en détail. La conception de chaque composant repose à la fois sur des modélisations analytiques et des simulations numériques, avec une attention particulière portée aux compromis entre performance, encombrement et compatibilité avec la plateforme technologique de STMicroelectronics. Des prototypes ont été fabriqués dans le cadre de deux differents wafers, dontle second, optimisé, a démontré de meilleures performances.À partir des composants validés, un setup expérimental complet est développé pour évaluer la fonctionnalité de la source QKD intégré. Celui-ci comprend le packaging de la puce SOI sur une carte PCB sur mesure avec des lignes de transmission adaptées en impédance, l'intégration d'une source laser externe, ainsi que la mise en oeuvre d'un système de contrôle incluant une plateforme FPGA. Le dispositif de réception repose sur une configuration interférométrique en espace libre et sur des superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs).Les travaux présentés démontrent avec succès la faisabilité d'un émetteur QKD basé sur la photonique sur silicium, offrant une solution évolutive et compacte pour la cryptographie quantique. Les objectifs à court terme incluent la démonstration complète d'un échange de clés et l'optimisation des pertes d'insertion liées au couplage et au packaging. Une transition vers des récepteurs plus compacts et l'intégration du contrôle électronique sur une plateforme monolithique constituent des perspectives à plus long terme, essentielles pour permettre le déploiement d'un système QKD intégré dans des réseaux réels.
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.