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.
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.
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 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.
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 distribution quantique de clé permet la transmission d'une clé de cryptage secrète entre deux interlocuteurs distants. Les lois de la physique quantique garantissent la sécurité inconditionnelle du transfert. L'utilisation de variables continues dans le domaine de l'information quantique, récemment apparue, permet de concevoir des systèmes de distribution quantique de clé qui ne nécessitent que des composants standards de l'industrie des télécommunications. Ces composants ouvrent la voie vers les hauts débits caractéristiques des liaisons en fibres optiques. Nous avons réalisé un système complet de distribution quantique de clé qui utilise l'amplitude et la phase d'états cohérents pulsés de la lumière modulées selon une distribution gaussienne. Notre système est exclusivement réalisé avec des fibres optiques, et atteint un taux de répétition de 1 MHz. Nous avons caractérisé l'information secrète transmise par ce dispositif. Nous avons validé cette caractérisation en réalisant des attaques quantiques originales qui couvrent l'ensemble des perturbations qui peuvent être envisagées sur la transmission. Nous avons ensuite adapté des algorithmes de correction d'erreur et d'amplification de secret qui produisent une clé secrète à partir des données expérimentales. Enfin, nous avons conçu un ensemble logiciel autonome qui intègre la gestion de l'expérience aux algorithmes de correction d'erreur. Ces travaux nous ont permis de distribuer une clé secrète sur une fibre de 25 km avec un taux finalde 1 kb/s. Le système que nous avons réalisé sera intégré dans un réseau de distribution quantique de clé faisant intervenir plusieurs collaborateurs européens.
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.
Systèmes intégrés de distribution quantique de clés à variables continues à haute performance La Distribution Quantique de Clé (QKD) est l'application la plus proéminente et la plus mature des communications quantiques. Elle permet à deux utilisateurs de confiance, généralement appelés Alice et Bob, lorsqu'ils ont accès à un canal quantique public et à un canal classique public mais authentifié, d'échanger une clé secrète avec une sécurité qui est basée, non pas sur des hypothèses calculatoires comme c'est le cas dans la cryptographie classique, mais sur les lois de la Physique, et ainsi protège même contre un attaquant sans limites. Les protocoles de QKD se basent sur le théorème de non-clonage, ainsi que sur le principe de base que la mesure d'un système quantique altère son état. Ces protocoles sont majoritairement regroupés en deux familles : les protocoles à Variables Discrètes (DV), qui encodent l'information sur des propriétés discrètes de photons uniques, et les protocoles à Variables Continues (CV), qui encodent l'information sur des degrés de liberté continus; en pratique les quadratures du champ électro-magnétique. Bien que les protocoles DV aient plus de maturité, peuvent fonctionner à de plus grandes distances, et bénéficient d'un traitement de signal plus simple, les protocoles CV peuvent fonctionner à température ambiante avec de grandes efficacités et des hauts taux de répétition. Cette thèse se concentre majoritairement sur des protocoles CV-QKD, et s'adresse à des défis associés à l'intégration de systèmes CV-QKD. Elle montre l'intégration de composants optiques pour créer un récepteur CV-QKD basé sur la photonique sur silicium, et les performances du récepteur sont testées avec une expérience complète de CV-QKD, montrant son opération jusqu'à une distance de 23 km. Elle montre aussi l'intégration logicielle de notre plateforme expérimentale de CV-QKD comme une suite logicielle libre appelée QOSST: Quantum Open Software for Secure Transmissions. Le logiciel effectue le contrôle des équipements, le traitement numérique des signaux pour Alice et Bob (comprenant la synchronisation des horloges, de la fréquence de la phase), les communications classiques avec l'authentification, l'estimation des paramètres et le calcul du taux de clé secrète. Il est agnostique aux équipements et peut être utilisé dans de nombreux scénarios. Une documentation complète est aussi fournie dans l'espoir que le logiciel puisse abaisser les barrières pour initier la recherche en CV-QKD mais aussi pour que d'autres groupes puissent participer à son développement. L'autonomie du logiciel lui permet aussi de trouver des relations cruciales entres les paramètres du traitement numérique des signaux et la performance. En utilisant notre système, nous démontrons des taux de clé positifs jusqu'à 25 km de distance. Notre prototype est ensuite intégré sur un réseau déployé en région Parisienne, en particulier démontrant la faisabilité d'un lien déployé de 15 km entre deux nœuds dans Paris. L'infrastructure de communications quantiques est aussi utilisé pour déployer des systèmes commerciaux DV-QKD, et pour effectuer une expérience avec un nœud de confiance sécurisé avec de la Cryptographie Post-Quantique sur un lien de 57 km. Le coût énergétique de la CV-QKD est aussi étudié, avec une approche orientée équipements, et une approche plus théorique pour donner une limite basse sur la consommation du protocole. L'approche théorique est, de son côté, capable de donner la tendance globale, alors que l'approche orientée équipements permet de donner un ordre de grandeur sur la consommation des premiers prototypes de CV-QKD, et de trouver une relation intéressante entre le coût énergétique des équipements et le coût des algorithmes de post-traitement. Finalement, les détecteurs utilisés pour l'expérience de CV-QKD sont mis en considération pour un autre protocole sur la vérification de l'Échantillonnage Bosonique. Les premières simulations ainsi que la préparation expérimentale permettent de mettre en lumière les défis d'une telle expérience.