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.
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.
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.
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 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.
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.
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.