Techniques avancées de traitement du signal pour les systèmes de distribution quantique de clés sur fibre optique basés sur des variables continues La distribution quantique de clés offre la possibilité d’une cryptographie dont la sécurité est démontrée par les lois de la physique quantique. De premiers systèmes commerciaux de cette technologie sont aujourd’hui disponibles. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux protocoles à variables continues, dont l’implémentation pratique s’approche des techniques modernes de transmissions numériques sur fibre optique. En exploitant ces techniques, on réalise un système expérimental de distribution quantique de clés à variables continues à haut débit.
Techniques avancées de traitement du signal pour les systèmes de distribution quantique de clés sur fibre optique basés sur des variables continues La distribution quantique de clés offre la possibilité d’une cryptographie dont la sécurité est démontrée par les lois de la physique quantique. De premiers systèmes commerciaux de cette technologie sont aujourd’hui disponibles. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux protocoles à variables continues, dont l’implémentation pratique s’approche des techniques modernes de transmissions numériques sur fibre optique. En exploitant ces techniques, on réalise un système expérimental de distribution quantique de clés à variables continues à haut débit.
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.
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.
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.
Longtemps considérée comme une curiosité de laboratoire, la distribution quantique de clés s'est aujourd'hui imposée comme une solution viable de sécurisation des données. Les lois fondamentales de la physique quantique permettent en effet de garantir la sécurité inconditionnelle des clés secrètes distribuées. Nous avons proposé un système de distribution quantique de clés par photons uniques exploitant un véritable codage en fréquence de l'information. Cette nouvelle méthode de codage permet de s'affranchir de dispositifs interférométriques et offre donc une grande robustesse. Un démonstrateur basé sur des composants optiques intégrés standard a été réalisé et a permis de valider expérimentalement le principe de codage. Nous avons ensuite étudié un système mettant en ?uvre un protocole de cryptographie quantique par « variables continues », codant l'information sur l'amplitude et la phase d'états cohérents. Le dispositif proposé est basé sur un multiplexage fréquentiel du signal porteur d'information et d'un oscillateur local. Les débits atteints par les systèmes de distribution de clés ne sont pas uniquement limités par des contraintes technologiques, mais aussi par l'efficacité des protocoles de réconciliation utilisés. Nous avons proposé un algorithme de réconciliation de variables continues efficace, basé sur des codes LDPC et permettant d'envisager de réelles distributions de clés à haut débit avec les protocoles à variables continues.
Performance et sécurité de dispositifs de distribution quantique de clés à variables continues L’objet de cette thèse est l’étude de la distribution quantique de clés, une primitive cryptographique qui permet à deux utilisateurs distants de générer une quantité arbitraire de clé secrète et cela y compris en présence d’un espion, sous réserve qu’ils partagent un secret initial. Nous restreignons notre étude aux protocoles employant des variables continues et démontrons expérimentalement une implémentation entièrement fibrée fonctionnant à 80 km sur une fibre dédiée en prenant en compte toutes les imperfections expérimentales connues. Pour atteindre une telle distance de fonctionnement, nous avons mis au point des codes correcteurs d’erreurs spécifiques fonctionnant près de la limite théorique de Shannon dans des régimes de faible rapport signal à bruit. Nous envisageons également la possibilité d’attaques par canaux cachés qui ne sont donc pas prises en compte dans la preuve de sécurité du système et proposons des contre-mesures. Enfin, nous étudions la compatibilité de notre système avec des canaux de communication intenses qui se propagent sur la même fibre optique.
La cryptographie quantique permet la distribution d'une clé de cryptage partagée entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l'information. Nous avons réalisé un démonstrateur complet de cryptographie quantique, fondé sur un protocole pour lequel l'information est codée sur des variables continues de la lumière, à savoir les quadratures du champ électromagnétique. Le système est exclusivement constitué de composants standard de l'industrie des télécommunications, qui permettent à Alice de générer les états cohérents de la lumière puis de les moduler, et à Bob de mesurer ces états grâce à une détection homodyne fonctionnant en régime impulsionnel et limitée par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs développé un logiciel complet de gestion de la distribution de clé, qui assure d'une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les rétrocontrôles nécessaires pour la stabilité de celle-ci, et qui permet d'autre part l'extraction d'une clé secrète à partir des données partagées après la transmission quantique. Le système a été intégré dans des boîtiers rackables, afin d'effectuer une démonstration en vraie grandeur dans le cadre d'un réseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installées dans la ville de Vienne (Autriche). Lors de cette démonstration, notre système a fonctionné en continu pendant 57 heures, à un taux moyen de 8 kbit/s. Enfin, nous avons exploré différentes possibilités d'amélioration du système, à travers un nouveau protocole de cryptographie et l'utilisation d'amplificateurs optiques.