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 (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.
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.
Les protocoles de distribution de clé quantique (QKD) permettent de construire des canaux de communications sensibles à l’espionnage grâce aux propriétés quantiques fondamentales de la lumière. L’un des principaux défis à surpasser pour déployer de tels protocoles à grande échelle est le coût de déploiement de la technologie. Une solution attrayante en ce sens serait d’exploiter l’infrastructure de fibre optique déjà existante pour exécuter mettre en oeuvre de tels protocoles. Cela implique cependant de faire coexister des signaux quantiques avec des signaux telecoms classiques, ce qui peut être un défi de part la sensibilité des états quantiques aux perturbations. Ici, nous nous intéressons plus particulièrement aux protocoles de distribution de clé quantique à variables continues (CV-QKD), car leur proximité avec les communications cohérentes classiques indiquent qu’ils sont de bons candidats pour coexister sur une même fibre. En partant du principe que les protocoles CV-QKD sont destinés, à terme, à être déployés de manière conjointe avec des protocoles de communication classique, la question qui se pose est la suivante. Cette coexistence avec des signaux classiques est-elle forcément un désavantage pour la CV-QKD ? Nous montrons qu’en construisant de façon conjointe des protocoles de communication quantique et classique, alors la coexistence peut présenter des avantages exploitables pour la CV-QKD. Dans un premier travail, nous démontrons expérimentalement que le signal classique peut servir de signal pilote au signal quantique, ce qui permet notamment de s’affranchir de signaux pilotes auxiliaires généralement nécessaires en CV-QKD. Dans un second travail, nous montrons que le bruit généré par des canaux classiques peut servir à dissimuler le signal quantique. La communication quantique peut alors être réalisée de façon indétectable, ou « covert », ce qui, combiné à un échange de clé par QKD permet d’envisager des garanties de sécurité extrêmement élevées. Nous analysons les conditions nécessaires, à la faisabilité du déploiement covert de la CV-QKD.
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.
Convergence des communications quantiques et classiques Les protocoles de distribution de clé quantique (QKD) permettent de construire des canaux de communications sensibles à l’espionnage grâce aux propriétés quantiques fondamentales de la lumière. L’un des principaux défis à surpasser pour déployer de tels protocoles à grande échelle est le coût de déploiement de la technologie. Une solution attrayante en ce sens serait d’exploiter l’infrastructure de fibre optique déjà existante pour exécuter mettre en oeuvre de tels protocoles. Cela implique cependant de faire coexister des signaux quantiques avec des signaux telecoms classiques, ce qui peut être un défi de part la sensibilité des états quantiques aux perturbations. Ici, nous nous intéressons plus particulièrement aux protocoles de distribution de clé quantique à variables continues (CV-QKD), car leur proximité avec les communications cohérentes classiques indiquent qu’ils sont de bons candidats pour coexister sur une même fibre. En partant du principe que les protocoles CV-QKD sont destinés, à terme, à être déployés de manière conjointe avec des protocoles de communication classique, la question qui se pose est la suivante. Cette coexistence avec des signaux classiques est-elle forcément un désavantage pour la CV-QKD ? Nous montrons qu’en construisant de façon conjointe des protocoles de communication quantique et classique, alors la coexistence peut présenter des avantages exploitables pour la CV-QKD. Dans un premier travail, nous démontrons expérimentalement que le signal classique peut servir de signal pilote au signal quantique, ce qui permet notamment de s’affranchir de signaux pilotes auxiliaires généralement nécessaires en CV-QKD. Dans un second travail, nous montrons que le bruit généré par des canaux classiques peut servir à dissimuler le signal quantique. La communication quantique peut alors être réalisée de façon indétectable, ou « covert », ce qui, combiné à un échange de clé par QKD permet d’envisager des garanties de sécurité extrêmement élevées. Nous analysons les conditions nécessaires, à la faisabilité du déploiement covert de la CV-QKD.
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.
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.