Impact des technologies quantiques sur les communications et le traitement de l'information

Philippe Grangier

Sébastien Tanzilli

Mon activité s'inscrit dans le cadre de l'information et de l'optique quantiques fondamentales et appliquées. L'axe principal concerne la réalisation des briques photoniques élémentaires utiles aux réseaux quantiques, qui permettent à la fois la communication longue portée et le traitement de l'information quantique. Ces briques, à base d'optique intégrée, permettent d'exploiter efficacement les interactions non−linéaires optique−optique et électro−optique induites par le fort confinement des champs optiques au sein des structures guidantes. L'apport de cette technologie représente un atout essentiel lorsqu'il s'agit d'implémenter une véritable ingénierie de l'intrication, qui est l'une des ressources fondamentales de l'information quantique. J'entreprends également une recherche exploratoire visant le stockage quantique au sein d'ensembles d'atomes froids via le transfert de l'information quantique portée par des photons sur une onde de spin imprimée sur les atomes.

Raphaël Maurel

Raouia Rhazi

Développement de détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur guide silicium pour l'information quantique Le traitement quantique de l'information apporte de nouveaux protocoles et de nouvelles fonctionnalités dans le domaine des communications en garantissant une sécurité absolue du transfert de l'information et dans le domaine du calcul, avec la perspective d'effectuer très rapidement des calculs massivement parallèles. La deuxième révolution quantique est amorcée car ces concepts sortent des laboratoires théoriques pour devenir des applications industrielles concrètes grâce aux technologies intégrées. Les photons constituent un excellent support de l'information quantique pour ces deux applications. Trois composants-clés sont nécessaires : une source de photons uniques, un circuit passif reconfigurable permettant de les manipuler et un détecteur de photons uniques. L'objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur silicium, présentant une grande largeur spectrale autour de la longueur d'onde telecom de 1.55 µm, avec une absorption supérieure à 95% et la possibilité de résoudre le nombre de photons reçus. Cette thèse sera effectuée en collaboration entre l'INAC et le département d'optique et photonique du Leti, permettant d'allier les expertises et savoir-faire complémentaires des deux laboratoires. Cette thèse sera effectuée en parallèle de développements de sources de photons uniques intégrées sur silicium et apportera une brique essentielle pour l'intégration sur la même puce d'un circuit complet permettant de générer, manipuler et détecter des photons uniques pour les communications sécurisées et le calcul quantique.

Marina Teller

Guillaume Ricard

Traitement numérique du signal et estimation de paramètres pour les communications quantiques La distribution de clés quantiques à variables continues (CV-QKD) est une forme de cryptographie quantique qui encode l'information dans l'amplitude et la phase de la lumière, permettant un partage de clés sûr, sur des canaux optiques. S'appuyant sur des recherches antérieures, des configurations de multiplexage en sous-porteuses ont été proposées pour permettre à un canal quantique et à un canal de données classiques de partager une même porteuse optique et un seul émetteur. Dans cette configuration, un traitement numérique avancé du signal (DSP) permet au signal classique à rapport signal sur bruit élevé (SNR) de servir de référence de phase pour le canal quantique, facilitant la récupération de phase sans pilotes optiques dédiés. Cette thèse intègre ces concepts dans une architecture système complète combinant la CV-QKD avec une communication chiffrée par One-Time Pad sur une fibre et un émetteur uniques, nous rapprochant de la réalisation pratique d'un scénario où les modes de communication classique et quantique peuvent être sélectionnés uniquement par logiciel. Une analyse détaillée du budget de liaison quantifie les compromis entre les débits de données classiques et quantiques et garantit une bande passante suffisante pour les tâches de post-traitement essentielles, telles que la réconciliation inversée et l'estimation de paramètres.Au-delà de ces progrès systèmes et des améliorations expérimentales, ce travail aborde rigoureusement la sécurité pratique. Trois contributions améliorent l'estimation des paramètres dans des conditions réalistes. Premièrement, l'estimation de paramètres multi-niveaux permet une calibration continue du bruit du récepteur via un modulateur d'intensité en réception sans interrompre la génération de clés, augmentant significativement le débit total. Deuxièmement, une inadéquation entre les modes induite par le DSP est caractérisé : les filtres numériques du récepteur et la réponse du détecteur définissent le mode quantique mesuré, qui peut diverger du mode calibré par l'émetteur et biaiser l'estimation de paramètres critiques. Troisièmement, le formalisme de variance à fenêtre temporelle (Time-Gated Variance) quantifie les calibrations en présence de bruit réaliste non blanc, en tenant compte de l'impact de la durée de calibration sur l'estimation de la variance. Ensemble, ces méthodes fournissent une base quantitative plus précise pour l'évaluation de la transmittance et du bruit en excès, améliorant à la fois la sécurité et les performances.Bien que démontrées sur un système multiplexé en sous-porteuses à fibre unique, ces techniques sont largement applicables à d'autres architectures CV-QKD. En combinant ces conceptions système avec une analyse rigoureuse et quantitative des calibrations de bruit, cette thèse constitue un pas vers des communications quantiques sécurisées, certifiables et évolutives, comblant le décalage entre sécurité théorique et déploiement réel.