Le domaine des réseaux quantiques est actuellement un champ d'investigation majeur dans les technologies quantiques. Des recherches sont en cours à tous les niveaux. L'un des actes les plus simples de la communication quantique, la distribution d'un état unique bipartite intriqué, a été très étudié car il s'agit d'un problème simple à caractériser, simuler et mettre en œuvre. Il est également utile pour une application importante des réseaux quantiques : la distribution sécurisée d'une clé cryptographique. Cependant, l'utilisation des réseaux quantiques va bien au-delà, dans le domaine multipartite. Dans ce manuscrit, nous étudions d'abord le recyclage de ressources précédemment distribuées dans le régime asymptotique par l'utilisation du peignage d'intrication et de la fusion d'états quantiques. Ensuite, nous caractérisons la distribution des états quantiques en utilisant le formalisme du réseau tensoriel. Nous caractérisons également une large classe de protocoles de distribution classiques et utilisons cette similitude pour comparer la distribution des corrélations classiques sur les réseaux classiques à la distribution des états quantiques sur les réseaux quantiques. Enfin, nous mettons en œuvre les protocoles précédents dans un cadre plus réaliste et participons à l'élaboration de fonctionnalités multipartites pour un simulateur de réseau quantique : QuISP. Nous avons également cherché à vulgariser et à diffuser les notions d'information quantique auprès d'un large public. Nous rendons compte de la création d'un jeu vidéo basé sur l'optique quantique, s'ajoutant à la vulgarisation ludographique existante.
Le domaine des réseaux quantiques est actuellement un champ d'investigation majeur dans les technologies quantiques. Des recherches sont en cours à tous les niveaux. L'un des actes les plus simples de la communication quantique, la distribution d'un état unique bipartite intriqué, a été très étudié car il s'agit d'un problème simple à caractériser, simuler et mettre en œuvre. Il est également utile pour une application importante des réseaux quantiques : la distribution sécurisée d'une clé cryptographique. Cependant, l'utilisation des réseaux quantiques va bien au-delà, dans le domaine multipartite. Dans ce manuscrit, nous étudions d'abord le recyclage de ressources précédemment distribuées dans le régime asymptotique par l'utilisation du peignage d'intrication et de la fusion d'états quantiques. Ensuite, nous caractérisons la distribution des états quantiques en utilisant le formalisme du réseau tensoriel. Nous caractérisons également une large classe de protocoles de distribution classiques et utilisons cette similitude pour comparer la distribution des corrélations classiques sur les réseaux classiques à la distribution des états quantiques sur les réseaux quantiques. Enfin, nous mettons en œuvre les protocoles précédents dans un cadre plus réaliste et participons à l'élaboration de fonctionnalités multipartites pour un simulateur de réseau quantique : QuISP. Nous avons également cherché à vulgariser et à diffuser les notions d'information quantique auprès d'un large public. Nous rendons compte de la création d'un jeu vidéo basé sur l'optique quantique, s'ajoutant à la vulgarisation ludographique existante.
Communications multipartites sur réseaux quantiques Le domaine des réseaux quantiques est actuellement un champ d'investigation majeur dans les technologies quantiques. Des recherches sont en cours à tous les niveaux. L'un des actes les plus simples de la communication quantique, la distribution d'un état unique bipartite intriqué, a été très étudié car il s'agit d'un problème simple à caractériser, simuler et mettre en œuvre. Il est également utile pour une application importante des réseaux quantiques : la distribution sécurisée d'une clé cryptographique. Cependant, l'utilisation des réseaux quantiques va bien au-delà, dans le domaine multipartite. Dans ce manuscrit, nous étudions d'abord le recyclage de ressources précédemment distribuées dans le régime asymptotique par l'utilisation du peignage d'intrication et de la fusion d'états quantiques. Ensuite, nous caractérisons la distribution des états quantiques en utilisant le formalisme du réseau tensoriel. Nous caractérisons également une large classe de protocoles de distribution classiques et utilisons cette similitude pour comparer la distribution des corrélations classiques sur les réseaux classiques à la distribution des états quantiques sur les réseaux quantiques. Enfin, nous mettons en œuvre les protocoles précédents dans un cadre plus réaliste et participons à l'élaboration de fonctionnalités multipartites pour un simulateur de réseau quantique : QuISP. Nous avons également cherché à vulgariser et à diffuser les notions d'information quantique auprès d'un large public. Nous rendons compte de la création d'un jeu vidéo basé sur l'optique quantique, s'ajoutant à la vulgarisation ludographique existante.
Protocoles de chiffrement quantiques de plusieurs parties en environnements réalistes Cette thèse se situe à l’interface entre la théorie quantique et les expériences, en mettant l’accent sur les protocoles pratiques qui peuvent être mises en place en utilisant la technologie présente. Notre objectif est de contribuer à la construction d’un cadre général pour la conception et la mise en oeuvre de schémas de chiffrement quantiques qui permettront d’améliorer la sécurité des futurs réseaux de télécommunication. En outre, cette thèse veut avancer la recherche pertinente sur la physique quantique et l’informatique, en améliorant notre compréhension du phénomène d’intrication. Les corrélations des états intriqués ne peuvent pas être reproduites par des moyens classiques, ce qui permet d’effectuer des tâches (par exemple la téléportation et le codage super-dense) qui sont autrement impossibles. Il est donc d’une importance majeure d’être capables de vérifier si un état quantique est intriqué. Dans cette thèse, nous montrons comment vérifier efficacement si une source physique peut créer des états intriqués multipartites et les partager avec de nombreuses parties, dont certains sont malhonnêtes et collaborent avec la source. Ce protocole pourrait s’avérer essentiel pour tout type de calcul quantique entre les parties méfiantes et pourrait aussi faciliter la délégation sécurisée des tâches de calcul aux serveurs quantiques puissants qui ne sont pas fiables. Finalement, nous étudions le lien entre la théorie des jeux et la non-localité quantique, dans le cadre de jeux bayésiens. Nous examinons comment l’intrication partagé aide les joueurs gagner un jeu avec une probabilité plus élevée que les ressources classiques pourraient atteindre.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.
Réseaux sécurisés de capteurs quantiques Les réseaux quantiques constituent un cadre puissant pour interconnecter des systèmes quantiques spatialement séparés et permettre la distribution de ressources quantiques entre plusieurs nœuds. De telles plateformes offrent de nouvelles possibilités pour des tâches telles que la communication sécurisée, le calcul distribué et la détection améliorée par des effets quantiques. Par conséquent, elles ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, tant de la part des communautés théoriques qu’expérimentales en information quantique. Cette thèse présente plusieurs travaux unifiés par le thème de la privacité dans les réseaux de capteurs quantiques. Tout d’abord, le Chapitre 1 introduit le contexte et la motivation de cette thèse, ainsi que les bases techniques nécessaires aux chapitres suivants, couvrant des concepts fondamentaux de l’information quantique, les états de graphe et la vérification d’états, jusqu’aux éléments clés de la métrologie quantique et de l’information de Fisher, qui donnent naissance à la notion de privacité dans les réseaux quantiques et à la formulation de protocoles d’estimation de paramètres privés. En s’appuyant sur ce dernier principe, nous discutons de la manière dont une notion de privacité peut être formulée dans le cadre des systèmes quantiques. La thèse examine ensuite plusieurs aspects de ce cadre. Tout d’abord, dans le Chapitre 2, elle explore l’interaction entre la précision d’estimation et la privacité dans le cas où plusieurs agents d’un réseau quantique estiment collectivement une combinaison linéaire de leurs paramètres locaux. Ce chapitre comprend une méthode permettant de déterminer les états optimaux assurant la privacité pour la fonction cible souhaitée, une manière de quantifier le niveau de privacité dû au bruit en fonction de la proximité des états utilisés avec l’état sonde optimal, ainsi que certaines garanties de privacité pour certaines familles d’états. Par la suite, dans le Chapitre 3, elle examine les défis et les limitations qui apparaissent lors de la mise en œuvre expérimentale de protocoles de détection en réseau, en présentant la première implémentation complète de l’estimation privée de paramètres dans des réseaux de capteurs quantiques. Ensuite, dans le Chapitre 4, ce travail étudie comment de tels protocoles peuvent être étendus pour intégrer des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, telles que l’anonymat. Enfin, dans le Chapitre 5, il analyse des variantes de ces protocoles utilisant des états de graphe afin d’offrir une robustesse accrue face au bruit, tout en garantissant la privacité dans l’estimation de paramètres globaux au sein du réseau.
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.