Problématique 

Comment exploiter l’intrication quantique pour sécuriser un échange de clé dans un protocole de communication ?

Point de départ

Le projet dispose de l’équipement nécessaire à la mise en place de plusieurs protocoles de communication quantiques, entre deux interlocuteurs, les fameux Alice et Bob :

  • une source fibrée de photons intriqués à 1,55 microns,
  • plusieurs détecteurs de photons uniques (InGaAs),
  • plusieurs modules de comptage de photons unique et de corrélation
  • Des composants optiques (collimateurs, fibres, lames demi et quart d’onde…) permettant de construire les liens optiques et les différents canaux de détection.

Ce matériel, distribué par la société Aurea, peut être piloté par les interfaces logicielles fournies ou en Python, en Labview, ou en C.

Utilisation du prototype réalisé

Le prototype réalisé a vocation à devenir un nouveau poste de Travaux Pratiques associé aux autres bancs de la thématique quantique

Description du travail à réaliser

Lors d’un précédent projet DEPHI, les éléments nécessaires à l’établissement du protocole BB84 ont été mis en place. Ce premier protocole est basé sur l’aléatoire intrinsèque à la mécanique quantique : une clé aléatoire est générée en enregistrant des événements de détection de photons uniques polarisés dans des bases de mesure choisies aléatoirement. La présence d’un espion est mise en évidence par la détection de faibles déviations statistiques à la mesure de ces événements aléatoires. Ce nouveau projet porte sur un protocole plus évolué, le BBM92 basé sur le partage d’une paire de photons intriqués entre deux personnes. Des mesures du paramètre de Bell sont effectuées en permanence de manière à vérifier la violation des inégalités de Bell, garantie que les corrélations quantiques sont maintenues entre les deux interlocuteurs, et donc que la communication se fait sans espion.

L’équipe du projet devra commencer par identifier le matériel nécessaire à la réalisation d’un protocole de communication précis, le BBM92, puis réaliser le montage sur banc, en assemblant les différents composants disponibles pour réaliser les liens optiques entre source et détecteur. Un point spécifique de conception consistera à envisager la manière dont la présence d’un espion sur la ligne peut être efficacement intégrée de manière pratique et pédagogique sur le montage

Des protocoles de tests et de caractérisation devront être définis et appliqués afin d’évaluer la qualité des liens optiques, les performances des composants fibrés, des détecteurs, ainsi que caractériser les différentes voies en polarisation. Une seconde étape portera sur la réalisation de mesures du paramètre de Bell pour quantifier la qualité de l’intrication entre Alice et Bob dans les différentes bases de mesure. Enfin, une dernière étape portera sur la mise en place à proprement parler d’un protocole de distribution de clé quantique : c’est-à-dire une expérience récupérant des registres d’événement de détection stockés par les corrélateurs, permettant à Alice et Bob de générer leur clé, une fois que l’intrication est certifiée et assure l’absence d’espion sur la ligne.

Compétences ou savoir-faire abordés :

  • Analyser une documentation technique
  • Réaliser un montage optique avec soin
  • Définir des protocoles de tests et de mesures, expérimentaux ou numériques
  • Caractériser les performances de différents composants optiques et opto-électroniques
  • Interfacer plusieurs composants en langage Python à l’aide d’une librairie
  • Solliciter et échanger judicieusement avec des experts pour aider à la résolution de problèmes.
  • Mettre en œuvre un outil de gestion de projet afin d’assigner des tâches, et de documenter assidument et fidèlement le travail réalisé

Ressources / connaissances :

Polarisation : composants passifs et actifs

Opto-électronique/semi-conducteurs : détecteurs quantiques

Électronique et traitement du signal : signaux d’horloge, signaux logiques, corrélation.

Les élèves du projet pourront contacter et échanger avec l’équipe technique d’Aurea pour leur poser des questions sur les aspects techniques du matériel.

Qui encadre

Benjamin VEST + Thierry AVIGNON