CV-QKD à travers la turbulence atmosphérique : sécuriser les futures liaisons optiques espace-sol Les exigences sans cesse croissantes des systèmes de télécommunication modernes en termes de débit, ainsi que la menace imminente que pose l’augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs modernes sur les méthodes cryptographiques actuelles, font de la transmission sécurisée des données à la fois une exigence essentielle et un grand défi, et donc un domaine d'étude très actif. La distribution quantique des clés (QKD) permet l'échange de clés cryptographiques dont le niveau de sécurité ne dépend pas de la complexité d'un algorithme mathématique mais repose intrinsèquement sur l'exploitation des propriétés de la mécanique quantique. Cependant, le déploiement des systèmes QKD via des réseaux fibrés terrestres, est fortement limité en distance, et n'atteint que quelques centaines de kilomètres, en raison de l'atténuation exponentielle subie par les signaux transmis par fibre optique. Les méthodes d'amplification des répéteurs de communications optiques classiques ne sont pas compatibles avec un signal quantique, et en raison du manque de maturité technologique concernant les répéteurs quantiques, les relais satellite se présentent comme une alternative intéressante pour l'établissement de liaisons quantiques intercontinentales sécurisées. Nous présentons ici, dans le contexte d’un lien QKD descendant entre un satellite en orbite basse et le sol, un modèle complet du canal atmosphérique satellite-sol prenant conjointement en compte la turbulence, sa correction partielle par optique adaptative (OA) les pertes géométriques et les fluctuations de pointage à bord du satellite. Nous utilisons ce modèle pour évaluer les performances de trois protocoles QKD - à variables continues et à variables discrètes, avec des photons uniques ou intriqués - pour différentes conditions de turbulence, différents degrés de correction par OA, différents scénarios de configuration du lien (diamètre télescope, altitude du satellite…) et en prenant en compte les effets de taille finie. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de l’utilisation d’un système d’OA : en effet , la performance en termes de taux de génération de clé de tous les protocoles analysés s’améliore en considérant une correction par OA. Cette augmentation du taux de clé est particulièrement significative pour les scénarios de forte turbulence, d’opération diurne et pour le protocole QKD à variables continues (CV). L’apport de l’OA est de plus démontré et quantifié dans une configuration très prometteuse exploitant l’émission de deux photons intriqués vers deux stations sol depuis un relais satellite qui n’est pas forcément de confiance. Afin de valider nos résultats de simulation, nous avons aussi commencé à implémenter un banc de test expérimental à partir d’une émulation simplifiée du canal atmosphérique et d’un système CV-QKD. Nous expliquons les difficultés rencontrées pendant cette mise en œuvre ainsi que les solutions proposées et des idées sur les perspectives de l’étude.
CV-QKD à travers la turbulence atmosphérique : sécuriser les futures liaisons optiques espace-sol Les exigences sans cesse croissantes des systèmes de télécommunication modernes en termes de débit, ainsi que la menace imminente que pose l’augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs modernes sur les méthodes cryptographiques actuelles, font de la transmission sécurisée des données à la fois une exigence essentielle et un grand défi, et donc un domaine d'étude très actif. La distribution quantique des clés (QKD) permet l'échange de clés cryptographiques dont le niveau de sécurité ne dépend pas de la complexité d'un algorithme mathématique mais repose intrinsèquement sur l'exploitation des propriétés de la mécanique quantique. Cependant, le déploiement des systèmes QKD via des réseaux fibrés terrestres, est fortement limité en distance, et n'atteint que quelques centaines de kilomètres, en raison de l'atténuation exponentielle subie par les signaux transmis par fibre optique. Les méthodes d'amplification des répéteurs de communications optiques classiques ne sont pas compatibles avec un signal quantique, et en raison du manque de maturité technologique concernant les répéteurs quantiques, les relais satellite se présentent comme une alternative intéressante pour l'établissement de liaisons quantiques intercontinentales sécurisées. Nous présentons ici, dans le contexte d’un lien QKD descendant entre un satellite en orbite basse et le sol, un modèle complet du canal atmosphérique satellite-sol prenant conjointement en compte la turbulence, sa correction partielle par optique adaptative (OA) les pertes géométriques et les fluctuations de pointage à bord du satellite. Nous utilisons ce modèle pour évaluer les performances de trois protocoles QKD - à variables continues et à variables discrètes, avec des photons uniques ou intriqués - pour différentes conditions de turbulence, différents degrés de correction par OA, différents scénarios de configuration du lien (diamètre télescope, altitude du satellite…) et en prenant en compte les effets de taille finie. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de l’utilisation d’un système d’OA : en effet , la performance en termes de taux de génération de clé de tous les protocoles analysés s’améliore en considérant une correction par OA. Cette augmentation du taux de clé est particulièrement significative pour les scénarios de forte turbulence, d’opération diurne et pour le protocole QKD à variables continues (CV). L’apport de l’OA est de plus démontré et quantifié dans une configuration très prometteuse exploitant l’émission de deux photons intriqués vers deux stations sol depuis un relais satellite qui n’est pas forcément de confiance. Afin de valider nos résultats de simulation, nous avons aussi commencé à implémenter un banc de test expérimental à partir d’une émulation simplifiée du canal atmosphérique et d’un système CV-QKD. Nous expliquons les difficultés rencontrées pendant cette mise en œuvre ainsi que les solutions proposées et des idées sur les perspectives de l’étude.
Les exigences sans cesse croissantes des systèmes de télécommunication modernes en termes de débit, ainsi que la menace imminente que pose l’augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs modernes sur les méthodes cryptographiques actuelles, font de la transmission sécurisée des données à la fois une exigence essentielle et un grand défi, et donc un domaine d'étude très actif. La distribution quantique des clés (QKD) permet l'échange de clés cryptographiques dont le niveau de sécurité ne dépend pas de la complexité d'un algorithme mathématique mais repose intrinsèquement sur l'exploitation des propriétés de la mécanique quantique. Cependant, le déploiement des systèmes QKD via des réseaux fibrés terrestres, est fortement limité en distance, et n'atteint que quelques centaines de kilomètres, en raison de l'atténuation exponentielle subie par les signaux transmis par fibre optique. Les méthodes d'amplification des répéteurs de communications optiques classiques ne sont pas compatibles avec un signal quantique, et en raison du manque de maturité technologique concernant les répéteurs quantiques, les relais satellite se présentent comme une alternative intéressante pour l'établissement de liaisons quantiques intercontinentales sécurisées. Nous présentons ici, dans le contexte d’un lien QKD descendant entre un satellite en orbite basse et le sol, un modèle complet du canal atmosphérique satellite-sol prenant conjointement en compte la turbulence, sa correction partielle par optique adaptative (OA) les pertes géométriques et les fluctuations de pointage à bord du satellite. Nous utilisons ce modèle pour évaluer les performances de trois protocoles QKD - à variables continues et à variables discrètes, avec des photons uniques ou intriqués - pour différentes conditions de turbulence, différents degrés de correction par OA, différents scénarios de configuration du lien (diamètre télescope, altitude du satellite…) et en prenant en compte les effets de taille finie. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de l’utilisation d’un système d’OA : en effet , la performance en termes de taux de génération de clé de tous les protocoles analysés s’améliore en considérant une correction par OA. Cette augmentation du taux de clé est particulièrement significative pour les scénarios de forte turbulence, d’opération diurne et pour le protocole QKD à variables continues (CV). L’apport de l’OA est de plus démontré et quantifié dans une configuration très prometteuse exploitant l’émission de deux photons intriqués vers deux stations sol depuis un relais satellite qui n’est pas forcément de confiance. Afin de valider nos résultats de simulation, nous avons aussi commencé à implémenter un banc de test expérimental à partir d’une émulation simplifiée du canal atmosphérique et d’un système CV-QKD. Nous expliquons les difficultés rencontrées pendant cette mise en œuvre ainsi que les solutions proposées et des idées sur les perspectives de l’étude.
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.
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.
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.