La distribution de clé quantique (QKD Quantum Key Distribution) est une technologie permettant d assurer au niveau théorique l inviolabilité des clés transmises. Cependant, certains problèmes d ordre pratique de mise en œuvre restent ouverts, en particulier, concernant l augmentation de la portée d application de QKD. L objectif de la thèse est de répondre aux deux questions colérées suivantes : (1) comment de construire des réseaux QKD de grande taille; (2) comment sécuriser les relais des clés QKD. Nous avons proposé, dans un premier temps, un modèle permettant de garantir la sécurité de la transmission de clés dans un réseau QKD de grande taille en utilisant un routage stochastique. L efficacité de ce procédé est démontrée à l aide de la théorie de la percolation. Dans un deuxième temps, nous avons exploré la sécurité des modèles de relais des clés QKD et arrivons à proposer quatres nouveaux modèles capables à étendre la portée de QKD.
La distribution de clé quantique (QKD Quantum Key Distribution) est une technologie permettant d assurer au niveau théorique l inviolabilité des clés transmises. Cependant, certains problèmes d ordre pratique de mise en œuvre restent ouverts, en particulier, concernant l augmentation de la portée d application de QKD. L objectif de la thèse est de répondre aux deux questions colérées suivantes : (1) comment de construire des réseaux QKD de grande taille; (2) comment sécuriser les relais des clés QKD. Nous avons proposé, dans un premier temps, un modèle permettant de garantir la sécurité de la transmission de clés dans un réseau QKD de grande taille en utilisant un routage stochastique. L efficacité de ce procédé est démontrée à l aide de la théorie de la percolation. Dans un deuxième temps, nous avons exploré la sécurité des modèles de relais des clés QKD et arrivons à proposer quatres nouveaux modèles capables à étendre la portée de QKD.
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.
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.
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.
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.
Cryptographie pour le stockage confidentiel à long terme et protocoles sur la distribution quantique de clé La cryptographie joue aujourd'hui un rôle pour assurer la confidentialité des données, dans un contexte où les fuites de données sont de plus en plus fréquentes. La démocratisation du "Cloud computing", c'est à dire l'utilisation des serveurs informatiques de quelqu'un d'autre, oblige également à assurer la confidentialité du stockage de données. L'amélioration continue des méthodes de cryptanalyse, ainsi que l'évolution de la puissance de calcul de nos ordinateurs imposent une adaptation constante des algorithmes cryptographiques. Par exemple les cryptanalyses linéaire et différentielle sont venues à bout de l'algorithme DES, qui a dû être remplacé par AES au début des années 2000. De même, si un niveau de sécurité de 80 bits était considéré suffisant à cette période, la norme est aujourd'hui à 256 bits. L'avènement de l'ordinateur quantique viendra un jour à bout des algorithmes de chiffrement asymétrique utilisés aujourd'hui, tels que RSA. Comment alors concevoir aujourd'hui des méthodes de chiffrement qui résisteront à la cryptanalyse à long terme ? La distribution quantique de clés (QKD) apporte une solution élégante à ce problème. Un secret est échangé directement entre les participants par la transmission de qubits, généralement des photons transmis via une fibre optique. Le théorème de non-clonage interdit à un adversaire d'écouter la communication sans être détecté par les participants. Ne disposant d'aucune information, il ne pourra jamais découvrir le secret échangé, peu importe l'évolution de sa puissance de calcul. Le principal inconvénient de la distribution quantique de clés demeure néanmoins sa portée géographique limitée, le théorème de non-clonage interdisant la mise en place d'amplificateurs pour compenser les pertes de photons dans la fibre optique. Dans cette thèse, nous concevons un protocole permettant d'étendre la portée géographique de la distribution quantique de clés, par l'utilisation de noeuds intermédiaires. Nous avons effectué la vérification formelle de notre protocole. Nous proposons une modification du protocole TLS pour utiliser des clés échangées via la distribution quantique de clés. Notre protocole, compatible avec le standard ETSI GS QKD 014, est vérifié formellement. Nous proposons une implémentation open-source de celui-ci. Nous proposons une nouvelle méthode de construction de boîtes de substitution (S-Boxes), utilisées par les algorithmes de chiffrement par blocs ou de hachage. Notre méthode, s'appuyant sur l'utilisation d'automates cellulaires uniformes, permet de construire des S-Boxes de haute qualité cryptographique. Nous testons également une méthode permettant de construire de grosses fonctions booléennes à partir de plus petites, tout en conservant les propriétés cryptographiques de celles-ci. Nous présentons MULTISS, un protocole de stockage confidentiel distribué sur plusieurs réseaux de distribution quantiques de clés, garantissant une sécurité information théorique, tout en protégeant le secret contre un adversaire en mesure de prendre le contrôle de réseaux QKD dans leur globalité. Nous concevons un protocole de certificateless encryption distribuée basé sur les codes quasi-cycliques à densité modérée, permettant de basculer le modèle de confiance d'une autorité prédéfinie vers une confiance distribuée. Notre protocole permet ainsi d'assurer les échanges sécurisés de différents réseaux QKD distants, sans désigner d'autorité de confiance. Finalement, nous concevons une primitive de chiffrement symétrique, permettant la rotation de clé avec une possible mise à jour du niveau de sécurité de celle-ci. Notre primitive permet donc d'adapter le niveau de sécurité d'un chiffré au fur et à mesure de l'évolution de la puissance de calcul d'un attaquant, sans avoir besoin d'un déchiffrement intermédiaire.
Communications quantiques multimodes et cryptographie hybride 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.