Ce manuscrit présente le développement et les tests expérimentaux d'une expérience de partage quantique de clefs en champ réel, déployée sur 48 km. Son principe repose sur une génération d'une paire de photons intriqués, distribuée ensuite à deux utilisateurs, qui l'analysent sur des bases particulières pour extraire une clef de chiffrement disposant d'une sécurité inconditionnelle. Pour cela, nous développons non seulement une source de paires de photons, mais aussi des analyseurs de QKD, tous deux reposant sur l'observable time-bin. Chacun de ces dispositifs est conçu pour être intégralement pilotable à distance, robuste, et transportable, pour être déployés aisément hors laboratoire. La source génère des paires de photons intriqués en énergie-temps de haute qualité, avec une puissance et une polarisation stabilisée. Les analyseurs mesurent chaque photon aléatoirement dans la base {0,1} ou {+,-}, et requièrent des corrections de phase permanentes pour projeter dans la seconde base. Toutes ces stabilisations sont intégrées à un programme de post-traitement que nous mettons en place, dont le rôle est de transformer les données brutes en clefs de chiffrement sécurisées, tout en générant assez de données pour stabiliser la source et les analyseurs. Il exécute les opérations de réconciliation, distillation et correction des clefs, et finit par une opération d'amplification de confidentialité en temps réel, et automatise complètement le partage de clefs. Tous ces points sont testés expérimentalement lors d'un partage de clefs de plus de 325 heures pendant lequel un taux de clefs secrètes de 7 kbps est mesuré, sans qu'aucune intervention humaine n'ait été nécessaire. Nous montrons ainsi que notre système est apte à un déploiement hors laboratoire, et même à un développement réseau, avec des tests de générations de paires sur de multiples canaux, et de partages de clefs avec des pertes variables. Nous formons ainsi une base pour non seulement des partages quantiques de clefs fibrés simples, mais aussi pour des expériences plus avancées, comme des partages de clefs en espace libre, des réseaux, ou encore l'implémentation de protocoles plus avancés.
Ce manuscrit présente le développement et les tests expérimentaux d'une expérience de partage quantique de clefs en champ réel, déployée sur 48 km. Son principe repose sur une génération d'une paire de photons intriqués, distribuée ensuite à deux utilisateurs, qui l'analysent sur des bases particulières pour extraire une clef de chiffrement disposant d'une sécurité inconditionnelle. Pour cela, nous développons non seulement une source de paires de photons, mais aussi des analyseurs de QKD, tous deux reposant sur l'observable time-bin. Chacun de ces dispositifs est conçu pour être intégralement pilotable à distance, robuste, et transportable, pour être déployés aisément hors laboratoire. La source génère des paires de photons intriqués en énergie-temps de haute qualité, avec une puissance et une polarisation stabilisée. Les analyseurs mesurent chaque photon aléatoirement dans la base {0,1} ou {+,-}, et requièrent des corrections de phase permanentes pour projeter dans la seconde base. Toutes ces stabilisations sont intégrées à un programme de post-traitement que nous mettons en place, dont le rôle est de transformer les données brutes en clefs de chiffrement sécurisées, tout en générant assez de données pour stabiliser la source et les analyseurs. Il exécute les opérations de réconciliation, distillation et correction des clefs, et finit par une opération d'amplification de confidentialité en temps réel, et automatise complètement le partage de clefs. Tous ces points sont testés expérimentalement lors d'un partage de clefs de plus de 325 heures pendant lequel un taux de clefs secrètes de 7 kbps est mesuré, sans qu'aucune intervention humaine n'ait été nécessaire. Nous montrons ainsi que notre système est apte à un déploiement hors laboratoire, et même à un développement réseau, avec des tests de générations de paires sur de multiples canaux, et de partages de clefs avec des pertes variables. Nous formons ainsi une base pour non seulement des partages quantiques de clefs fibrés simples, mais aussi pour des expériences plus avancées, comme des partages de clefs en espace libre, des réseaux, ou encore l'implémentation de protocoles plus avancés.
Cette thèse traite du développement de deux sources de paires de photons intriqués pour des applications de communication et cryptographie quantiques. La première est une source fibrée “plug-and-play" de haute efficacité permettant de générer de l'intrication en énergie-temps et en polarisation dans la bande des télécoms pour des applications de cryptographie quantique dans des réseaux à fibre optique et à segment spatial. La seconde est une source générant de l'intrication sur la base des états de Fock dans le but de mettre en oeuvre un protocole de cryptographie quantique, reposant sur l'intrication, et indépendant du matériel employé. La première partie de ce manuscrit introduit les bases de la communication classique et des protocoles de sécurité actuels, avant de présenter la cryptographie quantique comme alternative. Elle développe les concepts fondamentaux sur lesquels est basée la sécurité de ces protocoles ainsi que les limitations inhérentes aux réseaux déployés, notamment en termes de distance. Deux solutions sont présentées pour les outrepasser : l'utilisation de répéteurs quantiques et la propagation en espace libre par voie spatiale. Les contraintes associées à ces approches sont également discutées. Sont détaillées par la suite la conception et la caractérisation d'une source de paires de photons intriqués, répondant aux exigences des réseaux à fibre optique et à segment spatial, et permettant un encodage de l'information sur plusieurs observables. À ce titre, sont discutées les différentes observables, le montage expérimental permettant leur mise en oeuvre ainsi que les contraintes découlant des spécifications mentionnées. À partir de celles-ci, une architecture finale est définie, et la caractérisation complète de cette source est présentée. La source est intégrée au réseau de cryptographie quantique Quantum@UniCA, au sein duquel elle est testée en conditions réelles pour ses performances en termes de taux de clefs et d'erreurs sur les deux observables d'encodage. En complément, des mesures en espace libre sont présentées afin d'ouvrir la voie à des liaisons quantiques satellites-sol. La seconde partie de ces travaux présente une autre source pour un nouveau type de protocole, appelé “Device-independant" ou DI, qui permet de s'affranchir du besoin de caractériser les systèmes utilisés pour l'échange de clef. Ces protocoles sont fondamentaux car ils permettent de résoudre l'une des limitations de la cryptographie quantique : l'imperfection de l'implémentation expérimentale. Cette partie présente donc le contexte et les enjeux de ce type de protocoles ainsi que les différentes étapes de ceux-ci. Elle met en évidence les points communs et les différences entre les protocoles utilisés dans la première partie et celui-ci et détaille le design de l'expérience retenue pour essayer d'aboutir à la première réalisation expérimentale d'un protocole de DI-QKD photonique.
Ces dernières années, les variables continues ont émergées en tant qu alternative aux variables discrètes dans les communications quantiques. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre des communications quantiques avec des variables continues. Les variables continues utilisées ici sont les quadratures d'un mode du champ électromagnétique. Pour les mesurer, nous avons construit une détection homodyne équilibrée, limitée au bruit de photons, impulsionnelle et résolue en temps. Celle-ci peut effectuer 800 000 mesures par seconde. En se fondant sur la limite de la duplication quantique, nous montrons qu'une valeur de la fidélité supérieure à 2/3 dans un protocole de téléportation quantique garantit que l'état téléporté est la meilleure copie qui reste de l'état d'entrée. Nous introduisons de nouveaux protocoles de distribution quantique de clef utilisant des variables quantiques continues, sûrs face à des attaques individuelles pour toute valeur de la transmission de la ligne optique entre Alice et Bob. En particulier, il n'est pas nécessaire que cette transmission soit plus grande que 50 % (moins de 3 dB de pertes). Ni compression des fluctuations quantiques, ni intrication ne sont nécessaires. Nous avons implémenté expérimentalement ces protocoles, en utilisant la détection homodyne limitée au bruit de photon mentionnée plus haut et des états cohérents. L'extraction complète de la clef secrète est réalisée en utilisant une technique de réconciliation par tranches inversée suivie d amplification de confidentialité. Notre dispositif expérimental produit un taux net de transmission de clef de 1,7 megabits par seconde pour une ligne sans pertes, et 75 kilobits par seconde pour une ligne avec 3,1 dB de pertes. Les limitations actuelles sont essentiellement techniques et proviennent surtout de l'efficacité limitée du logiciel de réconciliation.
Les protocoles de distribution quantique de clés (QKD) offrent une méthode fondamentalement sécurisée pour l’échange de clés de chiffrement, en s’appuyant sur les principes de la mécanique quantique. Parmi eux, le protocole BB84 est l’un des plus connus et des plus largement étudiés. Contrairement aux méthodes classiques de cryptographie, fondées sur la complexité algorithmique, la QKD permet à deux parties distantes de générer une clé secrète partagée tout en étant capables de détecter toute tentative d’interception.Dans ce projet, nous présentons l’implémentation expérimentale du protocole BB84 dans le cadre du développement d’un nouveau travail pratique destiné aux étudiants de deuxième année de l’Institut d’Optique Graduate School. L’objectif est de fournir une plateforme pédagogique robuste et concrète, permettant aux étudiants d’explorer les principes fondamentaux de la communication quantique.Notre dispositif repose sur une source de photons jumeaux (TPS), basée sur la conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire, produisant des paires de photons polarisés orthogonalement à une longueur d’onde de 1550,3 nm. Un photon est dirigé vers Alice, où il est préparé dans un état de polarisation défini via un modulateur électro-optique (EOM) contrôlé par une interface en C++ et une carte microcontrôleur. Le second photon est envoyé vers Bob, qui choisit aléatoirement une base de mesure grâce à un montage optique passif comprenant séparateurs de faisceaux et lames birefringentes.La détection est réalisée à l’aide de photodiodes à avalanche InGaAs (APD). Un corrélateur permet de mesurer les temps d’arrivée des photons et d’identifier les événements en coïncidence, condition nécessaire à la génération de la clé brute. Le corrélateur, contrôlé en Python, permet une acquisition automatisée des données avec une résolution temporelle de l’ordre de 13 ps. Chaque composant du montage (multiplexeurs WDM, séparateurs PBS, contrôleurs de polarisation...) a été testé individuellement avant d’être intégré au système global.Ce travail met en œuvre une plateforme modulaire et reproductible de distribution quantique de clé, à la fois adaptée à un usage pédagogique et ouverte à des explorations expérimentales plus avancées. Il offre aux étudiants une immersion concrète dans les technologies quantiques, et contribue à leur formation en optique quantique et en communication sécurisée.
Les réseaux et systèmes de télécommunications mondiaux fondent aujourd'hui leur confidentialité sur la cryptographie classique, qui repose sur des hypothèses mathématiques fragiles. La distribution quantique de clef (QKD) est aujourd'hui la seule façon connue pour distribuer des clefs avec une sécurité inconditionnelle. Ce travail de thèse contribue à combler de manière pluridisciplinaire et polyvalente le gap entre les limites physiques fondamentales et l'implémentation expérimentale, en termes de vitesse, fiabilité et robustesse. Dans un premier temps, nous avons donc proposé une implémentation du protocole BB84 utilisant les états de phase cohérents. Le récepteur homodyne a été conçu de manière à compenser les fluctuations de phase et de polarisation dans les interféromètres, ainsi que dans le reste du canal de propagation. Ensuite, nous avons mis en place un dispositif expérimental de système QKD à la longueur d'onde 1550 nm, avec une modulation QPSK fonctionnant avec un trajet et un sens de parcours uniques, dans une fibre optique mono-mode. Les deux schémas de détection: le comptage de photons (PC) et la détection homodyne équilibrée (BHD) ont été mis en œuvre. Enfin, nous avons effectué des comparaisons théoriques et expérimentales de ces deux récepteurs. Le récepteur BHD a été élaboré avec une décision à double seuil. La mise en œuvre d'un tel processus accepte des mesures non-conclusives, et réduit l'efficacité de génération des clés, mais reste encore bien meilleur que celle des PCs à 1550 nm. Nous avons également prouvé que ce système est robust sous la plupart des attaques potentielles.
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.
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.