Dans un contexte où la multiplication des objets connectés est de plus en plus importante et où la protection des données est critique, certaines nouvelles technologies et certains outils peuvent être utilisés afin de compromettent la sécurité des dispositifs matériels. Pour lutter contre les attaques sur les dispositifs, les fonctions physiques non-clonables (Physical Unclonable Functions, PUFs) constituent une solution prometteuse. Cette classe de primitive de sécurité tire profit des variations des procédés de fabrication pour créer des circuits uniques. Lorsque soumis à certains stimuli, ils génèrent une ou plusieurs réponses qui peuvent être utilisées dans des protocoles d'authentification ou pour générer des clés cryptographiques uniques. Sachant que les variations de fabrications sont imprédictibles et aléatoires, les PUFs peuvent servir d'empreintes digitales idéalement non-clonable. On retrouve à la genèse des PUFs un système optique utilisant un laser et un échantillon comportant des centres de diffusion diélectriques, ce système n'étant pas intégrable dans nos appareils, on a vu l'émergence de PUFs électroniques facilement intégrables. Cependant, beaucoup d'entre eux ont montré leurs limites, on a alors vu l'émergence de nouveaux PUFs photoniques, s'appuyant sur le développement des technologies en photonique intégrée ces dernières années et sur les nombreux degrés de liberté que l'utilisation de la lumière apporte. Comme évoqué, les PUFs ayant étés principalement électroniques, on s’est beaucoup concentré sur les réponses binaires de PUFs dont on essaie de quantifier les propriétés aléatoires dans le domaine binaire. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la manière dont nous pouvons quantifier les propriétés aléatoires des réponses de PUFs ou des générateurs de nombre aléatoires opérant dans le domaine analogique, comme ce peut être le cas avec les PUFs photoniques. Nous nous sommes alors penchés sur trois métriques l'approximate entropy (ApEn), la fuzzy entropy (FuzEn) et la disentropie de l'autocorrélation. Nous avons voulu comparer cette dernière à l'ApEn utilisée en sécurité et la FuzEn étant une version améliorée de l'ApEn. Nous avons alors vu que la disentropie de l'autocorrélation pouvait détecter des patterns discrets présents dans une séquence analogique. Cette dernière pouvant être une réponse de générateur de nombre aléatoire ou de PUF opérant dans le domaine analogique. Nous avons cependant noté certaines de ses limites. Il existe de multiples similarités entre le premier PUF optique fonctionnant avec un laser et des centres de diffusion diélectriques et les systèmes de résonateurs en anneau photoniques fonctionnant dans le domaine temporel. En nous appuyant sur la littérature, nous avons voulu tout d'abord travailler sur des systèmes composés de résonateurs en anneau. Nous avons alors fait fabriquer ces structures sur une plateforme SiN, nous permettant de quantifier les tolérances de fabrication de la plateforme et l'impact des tolérances de fabrication sur les structures. Les mesures ont été effectuées dans le domaine spectral et ont permis de montrer qu'il était possible de fabriquer des circuits uniques. Cette unicité a été vérifiée même lorsque les circuits sont placés les uns à côté des autres, là où les corrélations devraient être les plus grandes. Nous avons également montré qu'en utilisant des algorithmes appropriés, ces signatures spectrales sont robustes aux changements de température. Grâce à ces résultats, nous avons effectué des premières simulations en utilisant la TCMT des les propriétés temporelles de ces structures lorsqu'on les soumet à de la lumière modulée comme challenge et obtenu des résultats encourageants. Enfin, cette thèse s'ouvre sur une humble réflexion autour de diverses questions et conséquences sociales, éthiques ou philosophiques des technologies d’identification hardware comme les PUFs.
Dans un contexte où la multiplication des objets connectés est de plus en plus importante et où la protection des données est critique, certaines nouvelles technologies et certains outils peuvent être utilisés afin de compromettent la sécurité des dispositifs matériels. Pour lutter contre les attaques sur les dispositifs, les fonctions physiques non-clonables (Physical Unclonable Functions, PUFs) constituent une solution prometteuse. Cette classe de primitive de sécurité tire profit des variations des procédés de fabrication pour créer des circuits uniques. Lorsque soumis à certains stimuli, ils génèrent une ou plusieurs réponses qui peuvent être utilisées dans des protocoles d'authentification ou pour générer des clés cryptographiques uniques. Sachant que les variations de fabrications sont imprédictibles et aléatoires, les PUFs peuvent servir d'empreintes digitales idéalement non-clonable. On retrouve à la genèse des PUFs un système optique utilisant un laser et un échantillon comportant des centres de diffusion diélectriques, ce système n'étant pas intégrable dans nos appareils, on a vu l'émergence de PUFs électroniques facilement intégrables. Cependant, beaucoup d'entre eux ont montré leurs limites, on a alors vu l'émergence de nouveaux PUFs photoniques, s'appuyant sur le développement des technologies en photonique intégrée ces dernières années et sur les nombreux degrés de liberté que l'utilisation de la lumière apporte. Comme évoqué, les PUFs ayant étés principalement électroniques, on s’est beaucoup concentré sur les réponses binaires de PUFs dont on essaie de quantifier les propriétés aléatoires dans le domaine binaire. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la manière dont nous pouvons quantifier les propriétés aléatoires des réponses de PUFs ou des générateurs de nombre aléatoires opérant dans le domaine analogique, comme ce peut être le cas avec les PUFs photoniques. Nous nous sommes alors penchés sur trois métriques l'approximate entropy (ApEn), la fuzzy entropy (FuzEn) et la disentropie de l'autocorrélation. Nous avons voulu comparer cette dernière à l'ApEn utilisée en sécurité et la FuzEn étant une version améliorée de l'ApEn. Nous avons alors vu que la disentropie de l'autocorrélation pouvait détecter des patterns discrets présents dans une séquence analogique. Cette dernière pouvant être une réponse de générateur de nombre aléatoire ou de PUF opérant dans le domaine analogique. Nous avons cependant noté certaines de ses limites. Il existe de multiples similarités entre le premier PUF optique fonctionnant avec un laser et des centres de diffusion diélectriques et les systèmes de résonateurs en anneau photoniques fonctionnant dans le domaine temporel. En nous appuyant sur la littérature, nous avons voulu tout d'abord travailler sur des systèmes composés de résonateurs en anneau. Nous avons alors fait fabriquer ces structures sur une plateforme SiN, nous permettant de quantifier les tolérances de fabrication de la plateforme et l'impact des tolérances de fabrication sur les structures. Les mesures ont été effectuées dans le domaine spectral et ont permis de montrer qu'il était possible de fabriquer des circuits uniques. Cette unicité a été vérifiée même lorsque les circuits sont placés les uns à côté des autres, là où les corrélations devraient être les plus grandes. Nous avons également montré qu'en utilisant des algorithmes appropriés, ces signatures spectrales sont robustes aux changements de température. Grâce à ces résultats, nous avons effectué des premières simulations en utilisant la TCMT des les propriétés temporelles de ces structures lorsqu'on les soumet à de la lumière modulée comme challenge et obtenu des résultats encourageants. Enfin, cette thèse s'ouvre sur une humble réflexion autour de diverses questions et conséquences sociales, éthiques ou philosophiques des technologies d’identification hardware comme les PUFs.
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
Cette these s'est elaboree dans cette periode de l'histoire de la cryptographie quantique ou plusieurs protocoles avaient ete proposes sans que leur fiabilite n'ait pu etre encore demontree, du moins pas face a toute attaque. De plus, certaines des attaques qui avaient ete mises de cote etaient en fait accessibles a l'aide de la technologie actuelle.
D'un autre cote, le but de la cryptographie quantique a toujours ete la conception de protocoles inconditionnellement fiables, cest-a-dire, fiables face a toute attaque permise par les lois de la physique sans consideration pour aucune contrainte dans le temps ou dans l'espace. Tel etait le niveau de fiabilite espere des protocoles quantiques proposes. Seule la cryptographie quantique pouvait meme oser offrir un tel niveau de securite.
Une certaine application appelee la mise en gage jouait un role primordial dans l'ensemble des applications proposees par les cryptographes quantiques et une preuve de securite inconditionnelle avait ete proposee par Brassard, Crepeau, Jozsa et Langlois pour un protocole realisant cette tache. Notre objectif de depart etait de demontrer que les protocoles de la cryptographie quantique permettent effectivement de realiser avec une securite inconditionnelle la plupart des applications proposees, pas seulement la mise en gage. Cependant, a notre grande surprise et a l'etonnement de plusieurs, nous avons au contraire demontre qu'un protocole quantique de mise en gage inconditionnelle fiable est impossible et ainsi avons remis serieusement en question une partie importante des applications de la cryptographie quantique, en plus d'avoir demoli la preuve mentionnee plus haut. Par contre, en nous appuyant sur les travaux de Bennett, Brassard, Crepeau, Salvail et plus recemment de Yao, nous avons obtenu une preuve de la securite inconditionnelle d'un protocole quantique de distribution de cle.
Un des principes importants que nous avons utilises dans notre these est celui qui dit que tous les phenomenes peuvent etre decrits comme l'execution d'une mesure quantique. De plus, nous avons utilise le fait que cette mesure peut elle-meme etre decrite comme une transformation unitaire sur le systeme qui est compose du systeme mesure, de l'appareil de mesure et du systeme final si celui-ci est different du systeme initial.
Towards unclonable cryptography in the plain model La mécanique quantique génère de nouvelles menaces pour la cryptographie, mais elle offre également de nouveaux outils pour construire des primitives cryptographiques qui ne peuvent être réalisées dans le monde classique. Parmi ces primitives figurent les primitives inclonables, qui exploitent le théorème de non-clonage des états quantiques : la propriété surprenante qu’ils ne peuvent être copiés. Dans la première partie de cette thèse, nous donnons un aperçu approfondi des primitives inclonables, et en particulier de trois primitives principales : la quantum money, fournissant des jetons vérifiables inclonables; l’unclonable encrytion, un schéma de chiffrement avec chiffrés inclonables; et enfin la copy-protection, dans laquelle un vendeur envoie des programmes inclonables à ses clients. Nous définissons chacune de ces primitives, discutons de leur historique, et donnons des exemples de constructions. Dans la seconde partie, nous nous concentrons sur la copy-protection et l’unclonable encryption. Bien que ces primitives aient reçu beaucoup d’attention ces dernières années, elles ne sont pas encore entièrement comprises. En particulier, décider si elles existent dans le plain model (dans lequel nous ne pouvons pas utiliser d’oracles aléatoires (quantiques)) reste une question ouverte. Nous progressons vers cet objectif en présentant de nouvelles constructions pour ces primitives, avec une sécurité dans le plain model, en supposant de nouvelles conjectures. Pour prouver la sécurité de nos constructions, nous définissons et prouvons une nouvelle propriété dit de “monogamie” des coset states — sans doute les états quantiques les plus utiles lorsqu’il s’agit de construire des primitives inclonables. Nous pensons que cette nouvelle propriété est d’un intérêt indépendant. Comme contributions indépendantes, nous définissons deux nouvelles propriétés de sécurité pour une autre primitive inclonable, les tokenized signatures, et présentons une construction satisfaisant ces nouvelles propriétés. Les preuves de sécurité découlent de notre nouvelle propriété de “monogamie”, ainsi que d’une variante d’une des propriétés principales des coset states, que nous définissons et prouvons. Les protocoles cryptographiques inclonables nécessitent souvent une puissance quantique importante pour toutes les parties impliquées. Comme un tel modèle est peu susceptible d’être réalisable dans un avenir proche, nous examinons dans une troisième partie la cryptographie inclonable semi-quantique, dans laquelle des utilisateurs classiques interagissent avec un serveur quantique puissant. La plupart des primitives inclonables sont basées sur les coset states, nous construisons donc un protocole de préparation à distance de ces états, dans lequel un utilisateur classique fournit des instructions au serveur quantique sur la manière de construire coset states. De plus, cette préparation est effectuée de manière aveugle, dans le sens où le serveur n’a pas d’information sur les coset states qu’il a préparés. Cela nous permet d’utiliser ce protocole pour construire des primitives inclonables de manière semi-quantique.
Amélioration de la sécurité de la couche physique grâce à la diversité des fréquences et des espaces La sécurité de la couche physique (PLS) est un paradigme émergent qui se concentre sur l'utilisation des propriétés de la communication sans fil, telles que le bruit, l'évanouissement, la dispersion, l'interférence, la diversité, etc. pour assurer la sécurité entre les utilisateurs légitimes en présence d'un espion. Comme le PLS utilise des techniques de traitement du signal et de codage, il intervient au niveau de la couche physique et peut donc garantir le secret quelle que soit la puissance de calcul de l'espion. Cela en fait une approche intéressante pour compléter la cryptographie traditionnelle dont le principe de sécurité est basé sur la dureté informatique de l'algorithme de cryptage qui ne peut pas être facilement cassé par un espion. En outre, les récents progrès rapides des technologies de communication sans fil ont permis l'émergence et l'adoption de technologies telles que l'internet des objets, les communications ultra-fiables et à faible latence, les communications massives de type machine, les véhicules aériens sans pilote, etc. La plupart de ces technologies sont décentralisées, limitées en ressources de calcul et de puissance, et sensibles aux délais. La plupart de ces technologies sont décentralisées, limitées en ressources de calcul et de puissance, et sensibles aux délais. Cela fait du PLS une alternative très intéressante pour assurer la sécurité dans ces technologies. À cette fin, dans cette thèse, nous étudions les limites de la mise en œuvre pratique de la PLS et proposons des solutions pour relever ces défis. Tout d'abord, nous étudions le défi de l'efficacité énergétique de la PLS par l'injection de bruit artificiel (AN) dans un contexte massif d'entrées multiples et de sorties multiples (MIMO). La grande matrice de précodage dans le contexte MIMO massif contribue également à un signal d'émission avec un rapport élevé entre la puissance de crête et la puissance moyenne (PAPR). Cela nous a incités à proposer un nouvel algorithme, appelé PAPR-Aware-Secure-mMIMO. Dans ce schéma, les informations instantanées sur l'état du canal (CSI) sont utilisées pour concevoir un AN tenant compte du PAPR qui assure simultanément la sécurité tout en réduisant le PAPR. Ensuite, nous considérons le PLS par adaptation du canal. Ces schémas PLS dépendent de la précision de la CSI instantanée et sont inefficaces lorsque la CSI est imprécise. Toutefois, la CSI peut être inexacte dans la pratique en raison de facteurs tels qu'un retour d'information bruyant, une CSI périmée, etc. Pour résoudre ce problème, nous commençons par proposer un schéma PLS qui utilise le précodage et la diversité pour fournir le PLS. Nous proposons ensuite un réseau neuronal autoencodeur peu complexe pour débruiter la CSI imparfaite et obtenir des performances PLS optimales. Les modèles d'autoencodeur proposés sont appelés respectivement DenoiseSecNet et HybDenoiseSecNet. Enfin, nous étudions les performances de la PLS dans le cas d'une signalisation à alphabet fini. Les signaux gaussiens ont une grande complexité de détection parce qu'ils prennent un continuum de valeurs et ont des amplitudes non limitées. Dans la pratique, on utilise des entrées de canal discrètes parce qu'elles permettent de maintenir une puissance de transmission de crête et une complexité de réception modérées. Cependant, elles introduisent des contraintes qui affectent de manière significative la performance du PLS, d'où la contribution de cette thèse. Nous proposons d'utiliser des clés dynamiques pour partitionner les espaces de modulation de manière à ce qu'ils profitent à un récepteur légitime et non à un espion. Ces clés sont basées sur le canal principal indépendant et leur utilisation pour la partition conduit à des régions de décision plus grandes pour le récepteur prévu et plus petites pour l'espion. Ce système est appelé modulation partitionnée par index (IPM).
Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.
Emission de lumière non-classique par des cavités à cristaux photoniques La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés.