Certification «boîte noire» : ressources quantique et distribution quantique de clé L'information quantique est un nouveau paradigme qui utilise des systèmes quantiques pour le transfert, l'échange et le traitement de l'information. En tirant avantage des propriétés de la physique quantique, les protocoles d'information quantique offrent des améliorations notables sur certains protocoles classiques de calculs et de communication. Grâce aux corrélations non-locales, il est possible de certifier de façon fiable des systèmes quantiques et de construire des protocoles cryptographiques avec des garantis de sécurité inégalée. Certaines de ces certifications et preuves de sécurité adoptent une approche extit{boîte noire} -- elles peuvent être formulées à partir des statistiques de résultats de mesures, sans faire d'hypothèse sur le fonctionnement interne des appareils quantiques à l'origine de ces statistiques. Dans cette thèse, nous étudions deux de ces protocoles boîte noire, de leurs fondements à leurs réalisations expérimentales. Tout d'abord, nous explorons le self-testing, le protocole boîte noire le plus fondamental, qui certifie adéquatement le fonctionnement d'appareils quantiques. Nos recherches ont mis en lumière des limites fondamentales du self-testing et ont permis d'étendre son champ d'application. Dans un second temps, nous analysons la distribution quantique de clé de type boîte noire, un protocole de cryptographie quantique ayant une sécurité démontrable. En plus d'avoir étendu les preuves de sécurités, nous proposons également une méthode produisant des schémas expérimentaux ouvrant la voie à une première expérience photonique de distribution quantique de clés de type boîte noire. Finalement, nous inscrivons ces protocoles dans une perspective plus globale en montrant comment le self-testing et la cryptographie quantique sont des éléments-clés dans le développement d'un internet quantique.
Certification «boîte noire» : ressources quantique et distribution quantique de clé L'information quantique est un nouveau paradigme qui utilise des systèmes quantiques pour le transfert, l'échange et le traitement de l'information. En tirant avantage des propriétés de la physique quantique, les protocoles d'information quantique offrent des améliorations notables sur certains protocoles classiques de calculs et de communication. Grâce aux corrélations non-locales, il est possible de certifier de façon fiable des systèmes quantiques et de construire des protocoles cryptographiques avec des garantis de sécurité inégalée. Certaines de ces certifications et preuves de sécurité adoptent une approche extit{boîte noire} -- elles peuvent être formulées à partir des statistiques de résultats de mesures, sans faire d'hypothèse sur le fonctionnement interne des appareils quantiques à l'origine de ces statistiques. Dans cette thèse, nous étudions deux de ces protocoles boîte noire, de leurs fondements à leurs réalisations expérimentales. Tout d'abord, nous explorons le self-testing, le protocole boîte noire le plus fondamental, qui certifie adéquatement le fonctionnement d'appareils quantiques. Nos recherches ont mis en lumière des limites fondamentales du self-testing et ont permis d'étendre son champ d'application. Dans un second temps, nous analysons la distribution quantique de clé de type boîte noire, un protocole de cryptographie quantique ayant une sécurité démontrable. En plus d'avoir étendu les preuves de sécurités, nous proposons également une méthode produisant des schémas expérimentaux ouvrant la voie à une première expérience photonique de distribution quantique de clés de type boîte noire. Finalement, nous inscrivons ces protocoles dans une perspective plus globale en montrant comment le self-testing et la cryptographie quantique sont des éléments-clés dans le développement d'un internet quantique.
L'information quantique est un nouveau paradigme qui utilise des systèmes quantiques pour le transfert, l'échange et le traitement de l'information. En tirant avantage des propriétés de la physique quantique, les protocoles d'information quantique offrent des améliorations notables sur certains protocoles classiques de calculs et de communication. Grâce aux corrélations non-locales, il est possible de certifier de façon fiable des systèmes quantiques et de construire des protocoles cryptographiques avec des garantis de sécurité inégalée. Certaines de ces certifications et preuves de sécurité adoptent une approche extit{boîte noire} -- elles peuvent être formulées à partir des statistiques de résultats de mesures, sans faire d'hypothèse sur le fonctionnement interne des appareils quantiques à l'origine de ces statistiques. Dans cette thèse, nous étudions deux de ces protocoles boîte noire, de leurs fondements à leurs réalisations expérimentales. Tout d'abord, nous explorons le self-testing, le protocole boîte noire le plus fondamental, qui certifie adéquatement le fonctionnement d'appareils quantiques. Nos recherches ont mis en lumière des limites fondamentales du self-testing et ont permis d'étendre son champ d'application. Dans un second temps, nous analysons la distribution quantique de clé de type boîte noire, un protocole de cryptographie quantique ayant une sécurité démontrable. En plus d'avoir étendu les preuves de sécurités, nous proposons également une méthode produisant des schémas expérimentaux ouvrant la voie à une première expérience photonique de distribution quantique de clés de type boîte noire. Finalement, nous inscrivons ces protocoles dans une perspective plus globale en montrant comment le self-testing et la cryptographie quantique sont des éléments-clés dans le développement d'un internet quantique.
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.
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.
Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.
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.
La cryptographie quantique permet la distribution d’une cle de cryptage partagee entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la securite inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la theorie de l’information. Nous avons realise un demonstrateur complet de cryptographie quantique, fonde sur un protocole pour lequel l’information est codee sur des variables continues de la lumiere, a savoir les quadratures du champ electromagnetique Le systeme est exclusivement constitue de composants standard de l’industrie des telecommunications, qui permettent a Alice de ge���nerer les etats coherents de la lumiere puis de les moduler, et a Bob de mesurer ces etats grâce a une detection homodyne fonctionnant en regime impulsionnel et limite par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs developpe un logiciel complet de gestion de la distribution de cle, qui assure d’une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les retrocontroles necessaires pour la stabilite de celle-ci, et qui permet d’autre part l’extraction d’une cle secrete a partir des donnees partagees apres la transmission quantique. Le systeme a ete integre dans des boitiers rackables, afin d’effectuer une demonstration en vraie de grandeur dans le cadre d’un reseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installees dans la ville d Vienne (Autriche). Lors de cette demonstration, notre systeme a fonctionne en continu pendant 57 heures, a un taux moyen de 8kbit/s. Enfin, nous avons explore differentes possibilites d’amelioration du systeme, a travers un nouveau protocole de cryptologie et l’utilisation d’amplificateurs optiques.