CV-QKD à travers la turbulence atmosphérique : sécuriser les futures liaisons optiques espace-sol

Quantum Key Distribution through atmospheric turbulence : secure satellite-to-ground links

• Auteur / Autrice : Valentina Marulanda Acosta
• Direction : Eleni Diamanti, Caroline Botum Lim, Jean-Marc Conan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Ghaya Rekaya Ben Othman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrew Thain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giuseppe Vallone, Thomas Jennewein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique adaptative

Télécommunications optiques en espace libre

Turbulence atmosphérique

Cryptographie quantique

Satellites artificiels dans les télécommunications

Mots clés libres

QKD

Satellite

Atmosphérique

QKD

Satellite

Atmospheric

Résumé

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.

The ever-growing demands of modern telecommunication systems in terms of data rates as well as the impending threat of the increasing computing power of modern computers, make the secure transmission of data an essential requirement and thus a very active field of study. Quantum key distribution (QKD) allows for the exchange of cryptographic keys whose security level does not depend on the complexity of a mathematical algorithm but rather relies on exploiting the properties of quantum mechanics cite{scarani2009}. Depending on the protocol, the key bits will be encoded either on the superposition of modes of individual photons, such as polarization modes, as is the case for the discrete variable protocols (DV) or they will be encoded into the quadratures of a very low flux electromagnetic field as it happens in the continuous variable protocols (CV). While offering security levels unattainable by classical means, QKD protocols in their terrestrial implementation are severely limited in distance reaching only several hundred kilometers because of the exponential attenuation suffered by fiber-transmitted signals. Since the amplification methods of classical optical communications repeaters are not compatible with a signal that is quantum in nature, and because of the current lack of technological maturity regarding quantum repeaters, satellite relays present an interesting alternative for the establishment of secure intercontinental quantum links. A study by Dequal et al. upon which a part of the present study is based on, examines the possibility of performing a continuous variable key exchange between a satellite and a ground station by proposing a modeling of the propagation channel accounting for the effects of beam wandering, a fluctuating atmospheric transmission and a fixed loss due to single mode fiber coupling. It is as an in-depth continuation of this analysis that this simulation study was initially developed. Taking into account in particular the effects of propagation through the turbulent atmosphere on the spatial coherence of the optical signal, as well as expanding on the protocols taken into account. Adaptive optics (AO) are able to partially correct some of the aforementioned propagation effects. A typical AO system consists of a feedback loop containing elements capable of measuring and correcting wavefront aberrations in real time and we will focus our efforts in analyzing the effect of such a system in the performance of several protocols of quantum key distribution under different scenarios.