Étude experimentale de l'intégration d'un systèm de distribution quantique de clé à variables continues sur un circuit optique en silicium Les évolutions récentes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le marché des appareils de distribution quantique de clé secrète (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discrètes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des systèmes de détection cohérente (CV). Les avancées technologiques s'orientent maintenant vers la réalisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes à utiliser.L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique intégré en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'états cohérents. Deux approches sont utilisées: dans la première l'émetteur Alice et le récepteur Bob sont sur le même circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxième ils sont séparés.Les valeurs mesurées des paramètres de la communication permettent d'échanger une clé secrète.
Étude experimentale de l'intégration d'un systèm de distribution quantique de clé à variables continues sur un circuit optique en silicium Les évolutions récentes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le marché des appareils de distribution quantique de clé secrète (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discrètes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des systèmes de détection cohérente (CV). Les avancées technologiques s'orientent maintenant vers la réalisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes à utiliser.L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique intégré en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'états cohérents. Deux approches sont utilisées: dans la première l'émetteur Alice et le récepteur Bob sont sur le même circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxième ils sont séparés.Les valeurs mesurées des paramètres de la communication permettent d'échanger une clé secrète.
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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.
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.
Conception d'un circuit en photonique sur silicium pour des applications en cryptographie quantique La distribution quantique de clés (QKD) offre une sécurité inconditionnelle fondée sur les principes de la mécanique quantique, représentant une solution prometteuse face aux vulnérabilités des protocoles cryptographiques classiques exposés aux capacités de calcul en constante évolution. Pour permettre un déploiement à grande échelle des systémes QKD, une plateforme stable, scalable et économiquement viable est essentielle. Dans ce contexte, la photonique sur silicium s'impose comme un candidat solide, offrant une compatibilité CMOS, une densité d'intégration élevée et des procédés de fabrication matures. Cette thèse explore la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'une source QKD intégré réalisé sur une plateforme en silicon-on-insulator (SOI).Le travail commence par une introduction à la QKD et à la photonique intégrée, en examinant les principes théoriques et les motivations technologiques qui motivent leur intégration conjointe. En se basant sur le protocole choisi, les composants nécessaires à la réalisation d'un émetteur intégré sont identifiés et étudiés en détail. La conception de chaque composant repose à la fois sur des modélisations analytiques et des simulations numériques, avec une attention particulière portée aux compromis entre performance, encombrement et compatibilité avec la plateforme technologique de STMicroelectronics. Des prototypes ont été fabriqués dans le cadre de deux differents wafers, dontle second, optimisé, a démontré de meilleures performances.À partir des composants validés, un setup expérimental complet est développé pour évaluer la fonctionnalité de la source QKD intégré. Celui-ci comprend le packaging de la puce SOI sur une carte PCB sur mesure avec des lignes de transmission adaptées en impédance, l'intégration d'une source laser externe, ainsi que la mise en oeuvre d'un système de contrôle incluant une plateforme FPGA. Le dispositif de réception repose sur une configuration interférométrique en espace libre et sur des superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs).Les travaux présentés démontrent avec succès la faisabilité d'un émetteur QKD basé sur la photonique sur silicium, offrant une solution évolutive et compacte pour la cryptographie quantique. Les objectifs à court terme incluent la démonstration complète d'un échange de clés et l'optimisation des pertes d'insertion liées au couplage et au packaging. Une transition vers des récepteurs plus compacts et l'intégration du contrôle électronique sur une plateforme monolithique constituent des perspectives à plus long terme, essentielles pour permettre le déploiement d'un système QKD intégré dans des réseaux réels.
Protocoles de cryptographie quantique en variables continues Cette thèse porte sur l'étude et l'analyse de deux protocoles de cryptographie quantiques: la distribution de clés quantiques (Quantum Key Distribution, QKD) et la monnaie quantique infalsifiable en variables continues (Continuous Variables, CV). Le principal avantage des protocoles CV est que leur mise en œuvre ne nécessite que des composants télécoms standards. La QKD permet à deux parties distantes d'établir une clé sécurisée même en présence d'une espionne. Une propriété remarquable de la QKD est que sa sécurité peut être établie dans le cadre de la théorie de l'information. Prouver la sécurité des protocoles CV-QKD est un défi car les protocoles sont décrits dans un espace de dimension infinie. L'une des questions ouvertes de la CV-QKD était d'établir la sécurité des protocoles QKD bidirectionnels contre les attaques générales. Nous exploitons l'invariance du groupe unitaire du protocole pour établir la sécurité composable. Nous répondons à une autre question pressante dans le domaine de la CV-QKD à modulation discrète en établissant la sécurité asymptotique de tels protocoles contre les attaques collectives. Nous fournissons une technique générale pour dériver une limite inférieure sur le taux de clé secrète en utilisant un programme semi-défini. L'argent quantique exploite la propriété de non-clonage de la mécanique quantique pour générer des jetons, des billets de banque et des cartes de crédit infalsifiables. Nous proposons un schéma de monnaie quantique à clé privée CV avec vérification classique. La motivation derrière ce protocole est de faciliter la mise en œuvre pratique. Les précédents protocoles proposés utilisent des détecteurs à photons uniques, alors que nos protocoles utilisent la détection cohérente.
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.