Systèmes intégrés de distribution quantique de clés à variables continues à haute performance
Félicitations Dr.Piétri !
Résumé
La Distribution Quantique de Clé (QKD pour Quantum Key Distribution) est l’application la plus proéminente et la plus mature des communications quantiques. Elle permet à deux utilisateurs de confiance, généralement appelés Alice et Bob, lorsqu’ils ont accès à un canal quantique public et à un canal classique public mais authentifié, d’échanger une clé secrète avec une sécurité qui est basée, non pas sur des hypothèses calculatoires comme c’est le cas dans la cryptographie classique, mais sur les lois de la Physique, et ainsi protège même contre un attaquant sans limites.
Les protocoles de QKD se basent sur le théorème de non-clonage, ainsi que sur le principe de base que la mesure d’un système quantique altère son état. Ces protocoles sont majoritairement regroupés en deux familles : les protocoles à Variables Discrètes (DV pour Discrete-Variable), qui encodent l’information sur des propriétés discrètes de photons uniques, et les protocoles à Variables Continues (CV pour Continuous-Variable), qui encodent l’information sur des degrés de liberté continus; en pratique les quadratures du champ électro-magnétique. Bien que les protocoles DV aient plus de maturité, peuvent fonctionner à de plus grandes distances, et bénéficient d’un traitement de signal plus simple, les protocoles CV peuvent fonctionner à température ambiante avec de grandes efficacités et des hauts taux de répétition.
Cette thèse se concentre majoritairement sur des protocoles CV-QKD, et s’adresse à des défis associés à l’intégration de systèmes CV-QKD. Elle montre l’intégration de composants optiques pour créer un récepteur CV-QKD basé sur la photonique sur silicium, et les performances du récepteur sont testées avec une expérience complète de CV-QKD, montrant son opération jusqu’à une distance de 23 km. Elle montre aussi l’intégration logicielle de notre plateforme expérimentale de CV-QKD comme une suite logicielle libre appelée QOSST: Quantum Open Software for Secure Transmissions. Le logiciel effectue le contrôle des équipements, le traitement numérique des signaux pour Alice et Bob (comprenant la synchronisation des horloges, de la fréquence de la phase), les communications classiques avec l’authentification, l’estimation des paramètres et le calcul du taux de clé secrète. Il est agnostique aux équipements et peut être utilisé dans de nombreux scénarios. Une documentation complète est aussi fournie dans l’espoir que le logiciel puisse abaisser les barrières pour initier la recherche en CV-QKD mais aussi pour que d’autres groupes puissent participer à son développement. L’autonomie du logiciel lui permet aussi de trouver des relations cruciales entres les paramètres du traitement numérique des signaux et la performance. En utilisant notre système, nous démontrons des taux de clé positifs jusqu’à 25 km de distance. Notre prototype est ensuite intégré sur un réseau déployé en région Parisienne, en particulier démontrant la faisabilité d’un lien déployé de 15 km entre deux nœuds dans Paris. L’infrastructure de communications quantiques est aussi utilisé pour déployer des systèmes commerciaux DV-QKD, et pour effectuer une expérience avec un nœud de confiance sécurisé avec de la Cryptographie Post-Quantique sur un lien de 57 km.
Le coût énergétique de la CV-QKD est aussi étudié, avec une approche orientée équipements, et une approche plus théorique pour donner une limite basse sur la consommation du protocole. L’approche théorique est, de son côté, capable de donner la tendance globale, alors que l’approche orientée équipements permet de donner un ordre de grandeur sur la consommation des premiers prototypes de CV-QKD, et de trouver une relation intéressante entre le coût énergétique des équipements et le coût des algorithmes de post-traitement.
Finalement, les détecteurs utilisés pour l’expérience de CV-QKD sont mis en considération pour un autre protocole sur la vérification de l’Échantillonnage Bosonique. Les premières simulations ainsi que la préparation expérimentale permettent de mettre en lumière les défis d’une telle expérience.