La sécurisation des systèmes de communication passe par des techniques de cryptographie à clef. Les communications, sur un canal non protégé, imposent l'échange d'une clef entre Alice et Bob qui sont avec Eve, tentant d'obtenir cette clef à leur insu, les acteurs incontournables de tout scénario cryptographique. La sécurité quantique résulte de l'impossibilité pour Eve de dupliquer les signaux reçus ou d'en distraire une partie significative sans signer son intervention par une modification importante du taux d'erreur des signaux reçus par Bob. Les erreurs résultent d'observations incompatibles d'un même objet quantique, comme la mesure de la phase d'un photon unique sur deux bases différentes. Un faible taux d'erreur garantit la confidentialité de la clef. Le protocole BB84 autorise l'élaboration et l'échange de clef entre Alice et Bob. Il nécessite quatre états quantiques constituant deux bases, notées A1 et A2 contenant chacune deux symboles notés 0 et 1. Les bases A1 et A2 sont dites conjuguées. Cette thèse propose une étude et une réalisation expérimentale d'un système de distribution quantique de clef utilisant le protocole BB84 par codage en phase sur un photon unique (l = 1,5µm). La génération des photons uniques est assurée par un laser de type ILM dont les impulsions optiques sont fortement atténuées. La modulation QPSK satisfaisant à des choix de base et de symbole indépendants est assurée par l'utilisation de modulateurs Mach-Zehnder à deux électrodes. Trois systèmes de détection cohérente sont proposés et comparés. Les évolutions successives de notre système nous amènent à proposer aujourd'hui un système de cryptographie quantique à une voie optique par codage DQPSK.

Les réseaux et systèmes de télécommunications mondiaux fondent aujourd'hui leur confidentialité sur la cryptographie classique, qui repose sur des hypothèses mathématiques fragiles. La distribution quantique de clef (QKD) est aujourd'hui la seule façon connue pour distribuer des clefs avec une sécurité inconditionnelle. Ce travail de thèse contribue à combler de manière pluridisciplinaire et polyvalente le gap entre les limites physiques fondamentales et l'implémentation expérimentale, en termes de vitesse, fiabilité et robustesse. Dans un premier temps, nous avons donc proposé une implémentation du protocole BB84 utilisant les états de phase cohérents. Le récepteur homodyne a été conçu de manière à compenser les fluctuations de phase et de polarisation dans les interféromètres, ainsi que dans le reste du canal de propagation. Ensuite, nous avons mis en place un dispositif expérimental de système QKD à la longueur d'onde 1550 nm, avec une modulation QPSK fonctionnant avec un trajet et un sens de parcours uniques, dans une fibre optique mono-mode. Les deux schémas de détection: le comptage de photons (PC) et la détection homodyne équilibrée (BHD) ont été mis en œuvre. Enfin, nous avons effectué des comparaisons théoriques et expérimentales de ces deux récepteurs. Le récepteur BHD a été élaboré avec une décision à double seuil. La mise en œuvre d'un tel processus accepte des mesures non-conclusives, et réduit l'efficacité de génération des clés, mais reste encore bien meilleur que celle des PCs à 1550 nm. Nous avons également prouvé que ce système est robust sous la plupart des attaques potentielles.

In dieser Doktorarbeit werden zwei Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung realisiert. Der Quantenschlüsselaustausch ist revolutionär, weil er perfekte Sicherheit gewährleistet. Zahlreiche Quantenkryptografieprotokolle wurden schon untersucht. Zwei Probleme bestehen. Zum einen ist es sehr schwer, die Bedingungen herzustellen, die in den Annahmen für perfekte Sicherheit impliziert sind. Zum anderen sind die Reichweiten auf momentan etwa 200 km begrenzt, aufgrund des abnehmenden Signals gegenüber des konstanten Rauschens. Ein Experiment dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem ersten Problem. Insbesondere der übertragene Quantenzustands ist kritisch für die Sicherheit des Verfahrens. Es werden Einzelphotonen von Stickstoff- Fehlstellen-Zentren und zum ersten Mal von Silizium-Fehlstellen-Zentren für einen Quantenschlüsselaustausch mit Hilfe des BB84-Protokolls benutzt. Die Abweichung von idealen Einzelphotonenzuständen sowie deren Bedeutung für die Sicherheit werden analysiert. Die Übertragung von Quantenzuständen via Satellit könnte das Problem der begrenzten Reichweite lösen. Das neue Frequenz-Zeit- Protokoll eignet sich dafür besonders gut. Es wird während dieser Arbeit zum ersten Mal überhaupt implementiert. Umfangreiche Untersuchungen inklusive der Variation wesentlicher experimenteller Parameter geben Aufschluss über die Leistungsfähigkeit und Sicherheit des Protokolls. Außerdem werden elementare Bestandteile eines vollautomatischen Experiments zum Quantenschlüsselaustausch über Glasfasern in der sogenannten Time-bin-Implementierung mit autonomem Sender und Empfänger realisiert. Ein anderes Konzept der Quanteninformationsverarbeitung ist die Herstellung zufälliger Bitfolgen durch den Quantenzufall. Zufällige Bitfolgen haben zahlreiche Anwendungsgebiete in der Kryptografie und der Informatik. Die Realisierung eines Quantenzufallszahlengenerators mit mathematisch beschreibbarer und getesteter Zufälligkeit und hoher Bitrate wird ebenfalls beschrieben. / In this thesis, photonic quantum states are used for experimental realisations of two different concepts of quantum information processing. Quantum key distribution (QKD) is revolutionary because it is the only cryptographic scheme offering unconditional security. Two major problems prevail: Firstly, matching the conditions for unconditional security is challenging, secondly, long distance communication beyond 200 km is very demanding because an increasingly attenuated quantum state starts to fail the competition with constant noise. One experiment accomplished in this thesis is concerned with the first problem. The realisation of the actual quantum state is critical. Single photon states from nitrogen and for the first time also silicon vacancy defect centres are used for a QKD transmission under the BB84 (Bennett and Brassard 1984). The deviation of the used single photon states from the ideal state is thoroughly investigated and the information an eavesdropper obtains due to this deviation is analysed. Transmitting quantum states via satellites is a potential solution to the limited achievable distances in QKD. A novel protocol particularly suited for this is implemented for the first time in this thesis, the frequency-time (FT) protocol. The protocol is thoroughly investigated by varying the experimental parameters over a wide range and by evaluating the impact on the performance and the security. Finally, big steps towards a fully automated fibre-based BB84 QKD experiment in the time-bin implementation with autonomous sender and receiver units are accomplished. Another important concept using quantum mechanical properties as a resource is a quantum random number generator (QRNG). Random numbers are used for various applications in computing and cryptography. A QRNG supplying bits with high and quantifiable randomness at a record-breaking rate is reported and the statistical properties of the random output is thoroughly tested.

Quantum key distribution (QKD) protocols are intended to allow cryptographic keys to be generated and distributed in way that is provably secure based on inherent limitations, such as the no-cloning principle, imposed by quantum mechanics. This unique advantage compared with classical cryptography comes with an added difficulty: key bits in QKD protocols are encoded in analogue quantum states and their preparation is consequently subject to the usual imprecisions inevitable in any real world experiment. The negative impact of such imprecisions is illustrated for the BB84 QKD protocol. Following this, the main part of this thesis is concerned with the incorporation of such imprecisions in security proofs of the BB84 and two semi-device-independent protocols against the class of collective attacks. On a technical level, by contrast with the vast majority of security proofs developed since the turn of the century, in which recasting the protocol into an equivalent entanglement-based form features heavily in the analysis, the main results obtained here are approached directly from the prepare-and-measure perspective and in particular the connection with the no-cloning theorem and an early security proof by Fuchs et al. against the class of individual attacks is emphasised.<p><p>This thesis also summarises, as an appendix, a separate project which introduces and defines a hierarchy of polytopes intermediate between the local and no-signalling polytopes from the field of Bell nonlocality. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nous naviguons présentement sur la vague de la deuxième révolution quantique qui nous dirige vers un océan de possibilités. L’approche tant attendue de l’ordinateur quantique affecte notre société, notamment la sécurité mondiale actuelle. C’est la course pour mettre à jour nos réseaux de communication pour maintenir le droit à la vie privée. En cryptographie, bien que le chiffrement de message soit crucial pour des échanges privés, la sécurité générale de toute communication repose majoritairement sur la sécurité d’une clé. C’est pourquoi l’établissement quantique de clé ou QKD (de quantum key distribution en anglais) est une importante tâche cryptographique qui se doit d’être résistante aux adversaires quantiques. Beaucoup d’avancées ont déjà été faites dans le domaine, en l’occurrence l’usage de la fibre optique qui a mené à l’implémentation réelle de protocoles QKD. Par contre, l’obstacle qui continue de limiter tout progrès est la distance. Celle-ci hausse exponentiellement les erreurs introduites dans l’échange dépassant facilement les taux maximum tolérés actuels après quelques centaines de kilomètres seulement. De ce fait, bien que la théorie semble prometteuse, la mise en pratique de protocoles quantiques demeure un défi. Pour viser l’application mondiale, nous nous devons de prioriser l’efficacité. Ce mémoire présente une variation du fameux protocole BB84 pour maximiser la perfor- mance des applications de QKD en augmentant le taux d’erreurs toléré et, en l’occurrence, la distance entre les partis. Un satellite sera introduit comme troisième parti. Il aidera Alice et Bob à partager une chaine secrète. Celle-ci leur permettra de rouler le protocole BB84 sans dévoiler les bases. De plus, deux techniques seront définies, soient le filtrage et la concentration. Ces dernières serviront lors de la communication classique interactive pour diminuer l’erreur entre nos deux individus tout en limitant le gain d’information de leur ad- versaire. Les bénéfices de cette modification sont la possibilité de recycler les bases secrètes du protocole ainsi que la possibilité d’étendre d’avantage la longueur du canal atteignant ainsi l’objectif de pousser les limites pratiques de QKD. / We are currently sailing on the second quantum revolution wave towards an ocean of pos- sibilities. The long awaited quantum computer is near and it will affect global security as we know it. It is a race against the clock to update our entire communication network to maintain the right to personal privacy. An important cryptographic task is key establish- ment. While communicating privately, the entire security lies mainly in the security of the key used. Therefore, it is crucial that future protocols for key establishment be resistant against quantum adversaries. Over the years, there has been great progress in the field like the practical use of optical fibre leading to quantum key distribution (QKD) protocols implemented in real life. Despite this, a specific obstacle still remains. Distance poses a serious problem as it increases ex- ponentially the amount of errors introduced in the protocol, meaning we easily exceed the maximum rate that we can currently tolerate after only a few hundred kilometers. Hence, what we do in theory may sound promising, but the actual application in reality remains a challenge. To aim for global use, we need to prioritize efficiency. This thesis suggests an alternative to the renowned BB84 protocol to help maximize applications of quantum key distribution by increasing the tolerated error rate and thus, the distance between two parties. A satellite will be introduced as a third party to help Alice and Bob share a secret bit sequence. This bit string will allow them to run a BB84 protocol without revealing the bases. Then, two techniques will be defined: filtering and concentration. They will serve in the classical communication phase to help lower the error rate between our two parties while also limiting the amount of information gained by the adversary. Benefits from this approach are the recycling of the secret bases of the protocol as well as the possible extension of the length of the channel, thus achieving the end goal of pushing the limits of practical implementation of QKD.