Les protocoles de cryptographie quantique basés sur l’utilisation de paires de photons intriqués montrent une meilleure robustesse aux pertes que ceux qui utilisent des photons uniques ou des lasers atténués [1]. Ils permettent donc la distribution de clés secrètes quantiques (QKD) sur des distances plus importantes. Par ailleurs, ils permettent de garantir une sécurité indépendante des appareils (device-independent QKD). La mise en œuvre pratique de ces protocoles dans les réseaux de télécommunications par fibre nécessite des sources performantes et facilement intégrables. Ici nous démontrons la distribution de clés secrètes par fibre entre différents utilisateurs avec une source semi-conductrice qui génère des états intriqués en polarisation sur une large bande spectrale aux longueurs d’onde Télécom. De plus, le démultiplexage permet la distribution multi-utilisateur à partir d’une seule source.
Les protocoles de cryptographie quantique basés sur l’utilisation de paires de photons intriqués montrent une meilleure robustesse aux pertes que ceux qui utilisent des photons uniques ou des lasers atténués [1]. Ils permettent donc la distribution de clés secrètes quantiques (QKD) sur des distances plus importantes. Par ailleurs, ils permettent de garantir une sécurité indépendante des appareils (device-independent QKD). La mise en œuvre pratique de ces protocoles dans les réseaux de télécommunications par fibre nécessite des sources performantes et facilement intégrables. Ici nous démontrons la distribution de clés secrètes par fibre entre différents utilisateurs avec une source semi-conductrice qui génère des états intriqués en polarisation sur une large bande spectrale aux longueurs d’onde Télécom. De plus, le démultiplexage permet la distribution multi-utilisateur à partir d’une seule source.
Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
Cette thèse traite du développement de deux sources de paires de photons intriqués pour des applications de communication et cryptographie quantiques. La première est une source fibrée “plug-and-play" de haute efficacité permettant de générer de l'intrication en énergie-temps et en polarisation dans la bande des télécoms pour des applications de cryptographie quantique dans des réseaux à fibre optique et à segment spatial. La seconde est une source générant de l'intrication sur la base des états de Fock dans le but de mettre en oeuvre un protocole de cryptographie quantique, reposant sur l'intrication, et indépendant du matériel employé. La première partie de ce manuscrit introduit les bases de la communication classique et des protocoles de sécurité actuels, avant de présenter la cryptographie quantique comme alternative. Elle développe les concepts fondamentaux sur lesquels est basée la sécurité de ces protocoles ainsi que les limitations inhérentes aux réseaux déployés, notamment en termes de distance. Deux solutions sont présentées pour les outrepasser : l'utilisation de répéteurs quantiques et la propagation en espace libre par voie spatiale. Les contraintes associées à ces approches sont également discutées. Sont détaillées par la suite la conception et la caractérisation d'une source de paires de photons intriqués, répondant aux exigences des réseaux à fibre optique et à segment spatial, et permettant un encodage de l'information sur plusieurs observables. À ce titre, sont discutées les différentes observables, le montage expérimental permettant leur mise en oeuvre ainsi que les contraintes découlant des spécifications mentionnées. À partir de celles-ci, une architecture finale est définie, et la caractérisation complète de cette source est présentée. La source est intégrée au réseau de cryptographie quantique Quantum@UniCA, au sein duquel elle est testée en conditions réelles pour ses performances en termes de taux de clefs et d'erreurs sur les deux observables d'encodage. En complément, des mesures en espace libre sont présentées afin d'ouvrir la voie à des liaisons quantiques satellites-sol. La seconde partie de ces travaux présente une autre source pour un nouveau type de protocole, appelé “Device-independant" ou DI, qui permet de s'affranchir du besoin de caractériser les systèmes utilisés pour l'échange de clef. Ces protocoles sont fondamentaux car ils permettent de résoudre l'une des limitations de la cryptographie quantique : l'imperfection de l'implémentation expérimentale. Cette partie présente donc le contexte et les enjeux de ce type de protocoles ainsi que les différentes étapes de ceux-ci. Elle met en évidence les points communs et les différences entre les protocoles utilisés dans la première partie et celui-ci et détaille le design de l'expérience retenue pour essayer d'aboutir à la première réalisation expérimentale d'un protocole de DI-QKD photonique.
Le travail entrepris dans cette thèse s'inscrit dans le contexte du développement des réseaux de cryptographie quantique à partir de diverses ressources photoniques. Depuis les premiers liens de communication quantique établis en laboratoire, d'importants progrès ont été réalisés en ce qui concerne la qualité des sources d'états quantiques, ainsi que leur analyse et leur détection. De plus, la maturité des technologies des télécommunications donne naissance à des composants compacts et performants. La combinaison de ces avancées significatives a ouvert la voie vers les premiers réseaux de communication quantique opérationnels, déployés et en champ réel, avec des progrès notables d'année en année.De manière complémentaire, les sources de photons uniques sont une ressource majeure dans l'établissement de réseaux de communication quantique, et les plus performantes émettent dans le proche infrarouge. Dans la première partie de ce manuscrit, nous proposons une interface de conversion de fréquence efficace et adaptée à une source de photons uniques, permettant de convertir ces photons en fréquence vers la bande des télécommunications. Ensuite, nous réalisons une expérience d'interférences à deux photons (de type Hong-Ou-Mandel) entre des sources indépendantes, constituant une étape importante vers le développement de relais quantiques. Enfin, nous examinons la mise en place d'un relais quantique basé sur la téléportation quantique en combinant une source de photons uniques avec une source de paires de photons intriqués.
Le travail entrepris dans cette thèse s'inscrit dans le contexte du développement des réseaux de cryptographie quantique à partir de diverses ressources photoniques. Depuis les premiers liens de communication quantique établis en laboratoire, d'importants progrès ont été réalisés en ce qui concerne la qualité des sources d'états quantiques, ainsi que leur analyse et leur détection. De plus, la maturité des technologies des télécommunications donne naissance à des composants compacts et performants. La combinaison de ces avancées significatives a ouvert la voie vers les premiers réseaux de communication quantique opérationnels, déployés et en champ réel, avec des progrès notables d'année en année.De manière complémentaire, les sources de photons uniques sont une ressource majeure dans l'établissement de réseaux de communication quantique, et les plus performantes émettent dans le proche infrarouge. Dans la première partie de ce manuscrit, nous proposons une interface de conversion de fréquence efficace et adaptée à une source de photons uniques, permettant de convertir ces photons en fréquence vers la bande des télécommunications. Ensuite, nous réalisons une expérience d'interférences à deux photons (de type Hong-Ou-Mandel) entre des sources indépendantes, constituant une étape importante vers le développement de relais quantiques. Enfin, nous examinons la mise en place d'un relais quantique basé sur la téléportation quantique en combinant une source de photons uniques avec une source de paires de photons intriqués.
Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
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.