Conception et réalisation de dispositifs de distribution de clé quantique à variables continues à haute performance.

Design and implementation of high-performance devices for continuous-variable quantum key distribution

• Auteur / Autrice : Luis Trigo Vidarte
• Direction : Philippe Grangier, Eleni Diamanti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique Quantique - LIP6
• Jury : Président / Présidente : Delphine Marris-Morini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Grangier, Eleni Diamanti, Virginia D'Auria, Valerio Pruneri, Thierry Debuisschert, Romain Alléaume
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Virginia D'Auria, Valerio Pruneri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Télécommunications

Cryptographie quantique

Optique quantique

Mots clés libres

Optique quantique

Cryptographie quantique

Télécommunications optiques

Photonique sur silicium

Détection cohérente

Quantum optics

Quantum cryptography

Optical telecommunication

Silicon photonics

Coherent detection systems

Résumé

La distribution quantique de clé (QKD) est une des premières technologies quantiques qui ait atteint un stade commercial, en proposant une solution au problème de la distribution d’une clé cryptographique entre deux entités, et en garantissant une sécurité à long terme. Elle est maintenant proche de la maturité technologique, et plusieurs méthodes sont disponibles en pratique. Cette thèse étudie la distribution quantique de clé à variables continues (CV-QKD), qui a plusieurs éléments communs avec les communications optiques cohérentes classiques, et qui pourrait permettre à beaucoup d’utilisateurs d’accéder à la QKD.L’utilisation de techniques de traitement numérique (Digital Signal Processor ou DSP), typiques en communications classiques, a été seulement partiellement exploitée dans les implémentations CV-QKD précédentes. Dans ce travail nous mettons en œuvre expérimentalement des techniques usuelles dans les communications classiques, comme la mise en forme d’impulsions, le filtrage adaptatif et la récupération de mode. Notre objectif est d’augmenter ainsi le taux de clé secrète, et d’optimiser l’utilisation de la bande passante disponible.La possibilité d'intégrer des composants dans un circuit photonique (PIC) est un autre avantage de CV-QKD. Nous avons testé un PIC en silicium intégrant un coupleur hybride 180º et deux photodiodes en germanium. Les paramètres mesurés sont compatibles avec la génération de clé secrète dans ces dispositifs.Un des facteurs les plus limitants de QKD est la chute des performances dans les canaux ayant des pertes très élevées, typiquement des fibres optiques dont la longueur dépasse la centaine de kilomètres. Mais la distance utile peut être étendue notablement en utilisant des liens en espace libre, en particulier avec des satellites, où les pertes à une certaine distance peuvent être inférieures à celles des fibres. Nous considérons un modèle pour le canal descendant et prédisons les taux de clé secrète attendus à différentes altitudes pour CV-QKD. Ces résultats aboutissent à une technologie potentiellement utilisable pour les communications par satellite, en étendant la portée jusqu’à des distances intercontinentales.

Quantum key distribution (QKD) is one of the first quantum technologies that were able to provide commercially meaningful solutions to the problem of distributing cryptographic keys between trusted parties, guaranteeing long term security. It is now progressing towards technical maturity, by proposing multiple implementation alternatives. In this thesis, we study Continuous-Variables QKD (CV-QKD), which shares many common elements with classical coherent communication systems, and is a good candidate to facilitate the access to QKD for more users.The use of digital signal processing (DSP) techniques typical in classical communications has been only partially exploited in previous CV-QKD implementations. We experimentally implement standard telecommunication techniques like pulse shaping, adaptive filtering and mode recovery in order to improve the quantum secret key rate and optimize the occupied bandwidth.The potential of integration of the components in a photonic integrated circuit (PIC) is another important aspect of CV-QKD. We have tested a silicon photonics PIC integrating a 180º hybrid detector with two germanium photodiodes, showing that measured parameters are compatible with the generation of secret key.One of the most limiting factors of QKD is the performance under lossy channels, which is common in optical fibre for distances in the order of hundred kilometers. The range can be significantly extended using free space communications, and in particular satellites, where the losses at longer distances can be lower than those in fibre. We consider a model for a downlink satellite channel and predict the achievable secret key rates at different altitudes for CV-QKD, resulting in a potentially feasible technology for satellite communications, extending the range to intercontinental distances.