Réseaux sécurisés de capteurs quantiques Les réseaux quantiques constituent un cadre puissant pour interconnecter des systèmes quantiques spatialement séparés et permettre la distribution de ressources quantiques entre plusieurs nœuds. De telles plateformes offrent de nouvelles possibilités pour des tâches telles que la communication sécurisée, le calcul distribué et la détection améliorée par des effets quantiques. Par conséquent, elles ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, tant de la part des communautés théoriques qu’expérimentales en information quantique. Cette thèse présente plusieurs travaux unifiés par le thème de la privacité dans les réseaux de capteurs quantiques. Tout d’abord, le Chapitre 1 introduit le contexte et la motivation de cette thèse, ainsi que les bases techniques nécessaires aux chapitres suivants, couvrant des concepts fondamentaux de l’information quantique, les états de graphe et la vérification d’états, jusqu’aux éléments clés de la métrologie quantique et de l’information de Fisher, qui donnent naissance à la notion de privacité dans les réseaux quantiques et à la formulation de protocoles d’estimation de paramètres privés. En s’appuyant sur ce dernier principe, nous discutons de la manière dont une notion de privacité peut être formulée dans le cadre des systèmes quantiques. La thèse examine ensuite plusieurs aspects de ce cadre. Tout d’abord, dans le Chapitre 2, elle explore l’interaction entre la précision d’estimation et la privacité dans le cas où plusieurs agents d’un réseau quantique estiment collectivement une combinaison linéaire de leurs paramètres locaux. Ce chapitre comprend une méthode permettant de déterminer les états optimaux assurant la privacité pour la fonction cible souhaitée, une manière de quantifier le niveau de privacité dû au bruit en fonction de la proximité des états utilisés avec l’état sonde optimal, ainsi que certaines garanties de privacité pour certaines familles d’états. Par la suite, dans le Chapitre 3, elle examine les défis et les limitations qui apparaissent lors de la mise en œuvre expérimentale de protocoles de détection en réseau, en présentant la première implémentation complète de l’estimation privée de paramètres dans des réseaux de capteurs quantiques. Ensuite, dans le Chapitre 4, ce travail étudie comment de tels protocoles peuvent être étendus pour intégrer des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, telles que l’anonymat. Enfin, dans le Chapitre 5, il analyse des variantes de ces protocoles utilisant des états de graphe afin d’offrir une robustesse accrue face au bruit, tout en garantissant la privacité dans l’estimation de paramètres globaux au sein du réseau.
Réseaux sécurisés de capteurs quantiques Les réseaux quantiques constituent un cadre puissant pour interconnecter des systèmes quantiques spatialement séparés et permettre la distribution de ressources quantiques entre plusieurs nœuds. De telles plateformes offrent de nouvelles possibilités pour des tâches telles que la communication sécurisée, le calcul distribué et la détection améliorée par des effets quantiques. Par conséquent, elles ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, tant de la part des communautés théoriques qu’expérimentales en information quantique. Cette thèse présente plusieurs travaux unifiés par le thème de la privacité dans les réseaux de capteurs quantiques. Tout d’abord, le Chapitre 1 introduit le contexte et la motivation de cette thèse, ainsi que les bases techniques nécessaires aux chapitres suivants, couvrant des concepts fondamentaux de l’information quantique, les états de graphe et la vérification d’états, jusqu’aux éléments clés de la métrologie quantique et de l’information de Fisher, qui donnent naissance à la notion de privacité dans les réseaux quantiques et à la formulation de protocoles d’estimation de paramètres privés. En s’appuyant sur ce dernier principe, nous discutons de la manière dont une notion de privacité peut être formulée dans le cadre des systèmes quantiques. La thèse examine ensuite plusieurs aspects de ce cadre. Tout d’abord, dans le Chapitre 2, elle explore l’interaction entre la précision d’estimation et la privacité dans le cas où plusieurs agents d’un réseau quantique estiment collectivement une combinaison linéaire de leurs paramètres locaux. Ce chapitre comprend une méthode permettant de déterminer les états optimaux assurant la privacité pour la fonction cible souhaitée, une manière de quantifier le niveau de privacité dû au bruit en fonction de la proximité des états utilisés avec l’état sonde optimal, ainsi que certaines garanties de privacité pour certaines familles d’états. Par la suite, dans le Chapitre 3, elle examine les défis et les limitations qui apparaissent lors de la mise en œuvre expérimentale de protocoles de détection en réseau, en présentant la première implémentation complète de l’estimation privée de paramètres dans des réseaux de capteurs quantiques. Ensuite, dans le Chapitre 4, ce travail étudie comment de tels protocoles peuvent être étendus pour intégrer des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, telles que l’anonymat. Enfin, dans le Chapitre 5, il analyse des variantes de ces protocoles utilisant des états de graphe afin d’offrir une robustesse accrue face au bruit, tout en garantissant la privacité dans l’estimation de paramètres globaux au sein du réseau.
Conception et optimisation d'outils pour l'Internet quantique Cette thèse s’inscrit dans l’effort international pour construire des réseaux quantiques utilisables par tous. Nous essayons de souligner les problématiques importantes ainsi que les paramètres expérimentaux pouvant être bloquants. Nous explorons différents aspects des réseaux quantiques en vue d’aider la communauté internationale à construire l’Internet quantique. Après avoir introduit certaines notions de base d’informatique quantique pour la compréhension de la suite, nous définissons l’Internet quantique, dégageons les principales problématiques et enjeux. Puis, nous nous penchons sur une série de protocoles, bipartites et multipartites, que nous explicitons. Ensuite, nous étudions la sécurité composable d’un protocole réseau de vérification d’intrication multipartite, utilisé comme bloc de base par de nombreux autres protocoles. Dans le chapitre suivant, nous simulons et analysons différents protocoles de répéteurs quantiques permettant de lier deux nœuds du réseau à grande distance. Ces répéteurs utilisent un défaut dans la structure cristalline du diamant, que nous modélisons. Enfin, les deux derniers chapitres sont dédiés à la construction et à la simulation d’une architecture de réseau quantique transnational qui minimise la quantité de matériel nécessaire pour les utilisateurs du réseau. Nous étudions d’abord un réseau métropolitain, dont nous simulons une instance dans un contexte parisien. Nous exposons les paramètres expérimentaux ainsi que les performances actuelles. Ensuite nous étudions la possibilité d’établir une connexion entre différentes villes quantiques distantes de plusieurs centaines de kilomètres à l’aide de satellites.
Cette thèse s’inscrit dans l’effort international pour construire des réseaux quantiques utilisables par tous. Nous essayons de souligner les problématiques importantes ainsi que les paramètres expérimentaux pouvant être bloquants. Nous explorons différents aspects des réseaux quantiques en vue d’aider la communauté internationale à construire l’Internet quantique. Après avoir introduit certaines notions de base d’informatique quantique pour la compréhension de la suite, nous définissons l’Internet quantique, dégageons les principales problématiques et enjeux. Puis, nous nous penchons sur une série de protocoles, bipartites et multipartites, que nous explicitons. Ensuite, nous étudions la sécurité composable d’un protocole réseau de vérification d’intrication multipartite, utilisé comme bloc de base par de nombreux autres protocoles. Dans le chapitre suivant, nous simulons et analysons différents protocoles de répéteurs quantiques permettant de lier deux nœuds du réseau à grande distance. Ces répéteurs utilisent un défaut dans la structure cristalline du diamant, que nous modélisons. Enfin, les deux derniers chapitres sont dédiés à la construction et à la simulation d’une architecture de réseau quantique transnational qui minimise la quantité de matériel nécessaire pour les utilisateurs du réseau. Nous étudions d’abord un réseau métropolitain, dont nous simulons une instance dans un contexte parisien. Nous exposons les paramètres expérimentaux ainsi que les performances actuelles. Ensuite nous étudions la possibilité d’établir une connexion entre différentes villes quantiques distantes de plusieurs centaines de kilomètres à l’aide de satellites.
L'information quantique promet de révolutionner notre monde, de la façon dont nous communiquons à la façon dont nous calculons, en tirant sa puissance directement des lois qui régissent le comportement de la nature à des échelles extrêmement petites - la mécanique quantique. Dans un avenir proche, le matériel des ordinateurs quantiques éventuellement utiles devrait rester très coûteux et donc hors de portée de la plupart des utilisateurs finaux intéressés. Dans un tel monde, il est important de fournir des garanties de sécurité aux clients qui souhaitent donner des instructions à distance à des serveurs quantiques, en gardant leurs données privées (aveuglement) et en vérifiant l'exactitude des résultats (vérification). Cette fonctionnalité de l'informatique quantique déléguée sécurisée a reçu beaucoup d'attention au cours des dernières années, mais il reste encore beaucoup de questions ouvertes. Dans cette thèse, nous explorons l'(im)possibilité de sécuriser les calculs quantiques délégués dans différents contextes : quel est le matériel auquel le client doit avoir un accès sécurisé, quel est le matériel minimum requis par le serveur, et comment les parties doivent-elles communiquer ? Ce travail est motivé par la volonté de faire tomber les barrières qui nous empêchent de sécuriser et de vérifier les calculs quantiques dans la pratique, en identifiant et en supprimant les frais généraux inutiles. Nous commençons par nous interroger sur la nécessité d'une communication quantique entre le client et le serveur, et nous constatons que, si dans certaines situations la communication classique est tout à fait suffisante, le plus souvent la sécurité des protocoles de délégation repose de manière irremplaçable sur le caractère quantique de l'information échangée entre les parties. Cela prouve que la communication quantique est en effet un atout essentiel dans notre boîte à outils cryptographique. Nous nous concentrons ensuite sur le serveur qui souffrait de frais généraux irréalisables dans les tentatives précédentes de vérification quantique. Nous montrons que pour une large classe de calculs quantiques intéressants, il n'y a pas de besoin fondamental de réserver du matériel supplémentaire pour des techniques cryptographiques. En effet, nous donnons des constructions concrètes de protocoles sécurisés qui atteignent la cécité et la vérification sur du matériel de la même taille que celui qui serait nécessaire pour effectuer le calcul original non sécurisé, et nous fournissons un moyen systématique d'optimiser leur efficacité dans des contextes personnalisés. Notre voyage nous amène ensuite au problème du calcul multipartite sécurisé quantique, une généralisation de la fonctionnalité précédente à plus de deux parties participantes qui se méfient mutuellement. Nous explorons comment les améliorations que nous avons obtenues dans le cadre bipartite peuvent être transférées au cas multipartite, et nous terminons par la présentation de deux expériences réelles qui démontrent l'impact pratique et la faisabilité dans le monde réel des résultats obtenus au cours de cette thèse.
Sécurité et efficacité du calcul quantique délégué L'information quantique promet de révolutionner notre monde, de la façon dont nous communiquons à la façon dont nous calculons, en tirant sa puissance directement des lois qui régissent le comportement de la nature à des échelles extrêmement petites - la mécanique quantique. Dans un avenir proche, le matériel des ordinateurs quantiques éventuellement utiles devrait rester très coûteux et donc hors de portée de la plupart des utilisateurs finaux intéressés. Dans un tel monde, il est important de fournir des garanties de sécurité aux clients qui souhaitent donner des instructions à distance à des serveurs quantiques, en gardant leurs données privées (aveuglement) et en vérifiant l'exactitude des résultats (vérification). Cette fonctionnalité de l'informatique quantique déléguée sécurisée a reçu beaucoup d'attention au cours des dernières années, mais il reste encore beaucoup de questions ouvertes. Dans cette thèse, nous explorons l'(im)possibilité de sécuriser les calculs quantiques délégués dans différents contextes : quel est le matériel auquel le client doit avoir un accès sécurisé, quel est le matériel minimum requis par le serveur, et comment les parties doivent-elles communiquer ? Ce travail est motivé par la volonté de faire tomber les barrières qui nous empêchent de sécuriser et de vérifier les calculs quantiques dans la pratique, en identifiant et en supprimant les frais généraux inutiles. Nous commençons par nous interroger sur la nécessité d'une communication quantique entre le client et le serveur, et nous constatons que, si dans certaines situations la communication classique est tout à fait suffisante, le plus souvent la sécurité des protocoles de délégation repose de manière irremplaçable sur le caractère quantique de l'information échangée entre les parties. Cela prouve que la communication quantique est en effet un atout essentiel dans notre boîte à outils cryptographique. Nous nous concentrons ensuite sur le serveur qui souffrait de frais généraux irréalisables dans les tentatives précédentes de vérification quantique. Nous montrons que pour une large classe de calculs quantiques intéressants, il n'y a pas de besoin fondamental de réserver du matériel supplémentaire pour des techniques cryptographiques. En effet, nous donnons des constructions concrètes de protocoles sécurisés qui atteignent la cécité et la vérification sur du matériel de la même taille que celui qui serait nécessaire pour effectuer le calcul original non sécurisé, et nous fournissons un moyen systématique d'optimiser leur efficacité dans des contextes personnalisés. Notre voyage nous amène ensuite au problème du calcul multipartite sécurisé quantique, une généralisation de la fonctionnalité précédente à plus de deux parties participantes qui se méfient mutuellement. Nous explorons comment les améliorations que nous avons obtenues dans le cadre bipartite peuvent être transférées au cas multipartite, et nous terminons par la présentation de deux expériences réelles qui démontrent l'impact pratique et la faisabilité dans le monde réel des résultats obtenus au cours de cette thèse.
Protocoles de chiffrement quantiques de plusieurs parties en environnements réalistes Cette thèse se situe à l’interface entre la théorie quantique et les expériences, en mettant l’accent sur les protocoles pratiques qui peuvent être mises en place en utilisant la technologie présente. Notre objectif est de contribuer à la construction d’un cadre général pour la conception et la mise en oeuvre de schémas de chiffrement quantiques qui permettront d’améliorer la sécurité des futurs réseaux de télécommunication. En outre, cette thèse veut avancer la recherche pertinente sur la physique quantique et l’informatique, en améliorant notre compréhension du phénomène d’intrication. Les corrélations des états intriqués ne peuvent pas être reproduites par des moyens classiques, ce qui permet d’effectuer des tâches (par exemple la téléportation et le codage super-dense) qui sont autrement impossibles. Il est donc d’une importance majeure d’être capables de vérifier si un état quantique est intriqué. Dans cette thèse, nous montrons comment vérifier efficacement si une source physique peut créer des états intriqués multipartites et les partager avec de nombreuses parties, dont certains sont malhonnêtes et collaborent avec la source. Ce protocole pourrait s’avérer essentiel pour tout type de calcul quantique entre les parties méfiantes et pourrait aussi faciliter la délégation sécurisée des tâches de calcul aux serveurs quantiques puissants qui ne sont pas fiables. Finalement, nous étudions le lien entre la théorie des jeux et la non-localité quantique, dans le cadre de jeux bayésiens. Nous examinons comment l’intrication partagé aide les joueurs gagner un jeu avec une probabilité plus élevée que les ressources classiques pourraient atteindre.
Le domaine des réseaux quantiques est actuellement un champ d'investigation majeur dans les technologies quantiques. Des recherches sont en cours à tous les niveaux. L'un des actes les plus simples de la communication quantique, la distribution d'un état unique bipartite intriqué, a été très étudié car il s'agit d'un problème simple à caractériser, simuler et mettre en œuvre. Il est également utile pour une application importante des réseaux quantiques : la distribution sécurisée d'une clé cryptographique. Cependant, l'utilisation des réseaux quantiques va bien au-delà, dans le domaine multipartite. Dans ce manuscrit, nous étudions d'abord le recyclage de ressources précédemment distribuées dans le régime asymptotique par l'utilisation du peignage d'intrication et de la fusion d'états quantiques. Ensuite, nous caractérisons la distribution des états quantiques en utilisant le formalisme du réseau tensoriel. Nous caractérisons également une large classe de protocoles de distribution classiques et utilisons cette similitude pour comparer la distribution des corrélations classiques sur les réseaux classiques à la distribution des états quantiques sur les réseaux quantiques. Enfin, nous mettons en œuvre les protocoles précédents dans un cadre plus réaliste et participons à l'élaboration de fonctionnalités multipartites pour un simulateur de réseau quantique : QuISP. Nous avons également cherché à vulgariser et à diffuser les notions d'information quantique auprès d'un large public. Nous rendons compte de la création d'un jeu vidéo basé sur l'optique quantique, s'ajoutant à la vulgarisation ludographique existante.