IX. La mémoire quantique

Aurélien Bocquet

Depuis son invention en 1984 par C.H. Bennett et G. Brassard, le protocole BB84 a été prouvé sûr contre les attaques les plus générales autorisées par la mécanique quantique, les attaques cohérentes. Cependant, afin de réaliser ces attaques, un adversaire a besoin de mémoire quantique et il n'existe pas à l'heure actuelle de technologie permettant de créer facilement de telles mémoires. Il est donc important de savoir quantifier plus précisément la puissance de l'adversaire lorsque celui-ci n'a pas accès à une mémoire quantique parfaite. Ces nouveaux modèles de sécurité où la puissance de l'adversaire est limitée par des contraintes plus ou moins fortes sur sa mémoire quantique ont été déjà développés et utilisés pour étudier la sécurité des protocoles réalisant une fonction cryptographique à deux participants (comme la mise en gage de bit quantique par exemple). L'objectif de cette thèse a été d'adapter ces modèles de sécurité à l'étude de la sécurité des protocoles de distribution quantique de clés. Nous avons ainsi pu étudier la sécurité des principaux protocoles de distribution quantique de clés dans le cas où l'adversaire n'a pas de mémoire quantique et dans un modèle plus général où il est limité par le bruit de sa mémoire. Ces recherches ont permis de mieux comprendre l'influence de la qualité de la mémoire quantique sur la puissance des attaques et ainsi de quantifier le compromis entre la performance d'un protocole (en terme de taux de clé ou de distance atteignable) et la sécurité désirée.

Nicolas Gisin

A. Nicolas

Mémoires quantiques pour la lumière avec des atomes froids : une implémentation en espace libre pour un stockage multimode ou une implémentation à base de nano-fibres pour une meilleure efficacité de collection. Nous étudions expérimentalement deux mémoires quantiques pour la lumière utilisant la transparence électromagnétiquement induite (EIT) dans des nuages froids de césium.Nous expliquons la pertinence des mémoires quantiques pour le développement de réseaux quantiques à longue distance, et décrivons la théorie de l’EIT en soulignant les paramètres essentiels pour l’implémentation de mémoires quantiques.Notre premier cas d’étude est un piège magnéto-optique en espace libre. Notre principal résultat est la démonstration du caractère multimode de ce système pour le stockage quantique de la lumière. Pour cela, nous utilisons des faisceaux de Laguerre-Gauss (LG), porteurs de moment angulaire orbital (OAM). Dans une première étape, nous avons montré que l’état de moment orbital d’impulsions lumineuses en régime de photons uniques est préservé lors du stockage dans la mémoire. Ensuite, nous avons implémenté un bit quantique comme une superposition de modes LG ayant des hélicités opposées. Nous avons développé un système original pour mesurer ces bits quantiques qui nous a permis de caractériser l’action de la mémoire. Nous avons ainsi pu montrer que le stockage quantique de ces bits quantiques.Le second système, également un nuage d’atomes froids, a la particularité que les atomes sont piégés optiquement autour d’un nano-guide d’onde. Ce design innovant permet une plus grande interaction entre lumière et matière, et facilite l’interfaçage des photons dans et hors de la mémoire. Nous décrivons la construction de ce dispositif et les premiers pas vers son utilisation en tant que mémoire quantique.

Jean-Michel Counet

Pierre Jobez

L'apparition de la physique quantique à la fin du XIXe siècle a inspiré nombre d'applications basées sur des effets quantiques. La communication quantique, basée sur l'utilisation de "qubit" à l'instar des "bit" en communication classique, est l'une de ces applications. La valeur de ces qubits, pouvant être en superposition quantique, est impossible à copier parfaitement. Aujourd'hui, la cryptographie quantique est déjà la manière la plus confidentielle de communiquer. Néanmoins, la distance de communication est aujourd'hui fortement limitée par les pertes dans les fibres optiques. Afin de pallier à ce problème, il faut avoir recours à un répéteur quantique, un protocole basé sur l'intrication quantique et l'utilisation de mémoires quantiques. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur la réalisation d'une telle mémoire dans un solide. Mon travail a notamment été d'étendre le temps de stockage, améliorer l'efficacité ou encore réduire le bruit généré par cette mémoire.