Brevet FR3100642A1 — publié le 20210312

La présente demande se rapporte à un procédé de transmission sécurisé d’une séquence d’états quantiques entre un premier participant C i et un second participant C j parmi une pluralité de N participants et à un dispositif mettant en œuvre ledit procédé de transmission sécurisée. Fig.6 PROCEDE DE TRANSMISSION SECURISEE DE SEQUENCES D’ETATS QUANTIQUES ENTRE PLUSIEURS PARTICIPANTS EN LIGNE SUR UN CANAL DE COMMUNICATION QUANTIQUE La présente invention concerne de manière générale le domaine de la communication quantique et plus particulièrement une méthode et un dispositif pour échanger des séquences d’états quantiques entre plusieurs participants d’un même canal de communication quantique. La communication quantique consiste à échanger des états quantiques, encodés sur des bits quantiques ou qubits, entre plusieurs participants. Lorsque les états quantiques à échanger doivent l’être de manière secrète, la communication quantique est couplée à des méthodes de cryptographie quantique, ces dernières consistant à utiliser les propriétés de la physique quantique pour établir des protocoles de cryptographie, c’est-à-dire qui assurent la confidentialité des données échangées, permettant de sécuriser la communication quantique. Un exemple de protocole de communication quantique bien connu est la distribution de clé quantique (QKD, « quantum key distribution »), qui permet à deux participants reliés par un canal de communication quantique non-sécurisé d’établir une clé aléatoire qui peut être utilisée pour chiffrer une communication classique standard. Dans un protocole de distribution de clé quantique, il y a deux participants jouant en général un rôle différent : un émetteur, qui envoie de l’information quantique sous la forme de qubits, et un récepteur, qui décode cette information grâce à un dispositif adéquat. Il est connu de l’homme de l’art, dans les protocoles de distribution de clé quantique utilisés en pratique, d’encoder les qubits constituant la clé à distribuer dans des photons. La génération des photons est réalisée par un laser, l’encodage des photons est réalisé par un modulateur de propriétés optiques, et le décodage par le récepteur par un montage impliquant un détecteur de photons. A la fin du protocole, l’émetteur et le récepteur partagent une chaîne de qubits aléatoires secrète. Un problème technique que se propose de résoudre l’invention est de proposer une méthode sécurisée pour l’échange d’un flux d’états quantiques entre deux participants parmi un nombre de participants d’un même canal de communication quantique supérieur ou égal à trois et formant une chaîne de communication quantique, les deux participants échangeant un flux d’états quantiques pouvant être différents des participants dits émetteur et récepteur dans un protocole de distribution de clé quantique de l’art antérieur, ainsi qu’un dispositif pour mettre en œuvre cette méthode, ledit dispositif utilisant un matériel simple et très limité. Afin de résoudre ce problème, le demandeur a mis au point un procédé de transmission sécurisée d’une séquence de Q états quantiques encodée sous la forme d’une séquence de Q photons, entre un premier participant et un second participant, choisis parmi une pluralité de N participants distincts d’un même canal de communication quantique formant une chaîne de communication entre un émetteur et un récepteur, où N est un entier supérieur ou égal à 3, dans lequel le premier participant est situé en amont du second participant dans la chaîne de communication, ledit procédé comprenant, dans l’ordre : - la succession des étapes suivantes, répétée de q=1 à Q : ■ préparation par l’émetteur d’un photon dans un état quantique de base de référence |0> d’une base d’encodage B 0 orthonormée nommée base standard de dimension d et d’états de base |0>, |1>,… |d-1>, ■ transmission du photon préparé dans la chaîne de communication, ■ une première action effectuée par le premier participant sur ledit photon, comprenant deux première et deuxième étapes consécutives: ○ une première étape de décision de transformation ou non de l’état quantique du photon transmis, en un état quantique de base orthogonal dans la base d’encodage B 0 , ○ une deuxième étape de décision d’appliquer ou non une transformation P permettant d’effectuer un changement de base d’encodage, depuis la base standard B 0 vers une base d’encodage B 1 incompatible avec la base standard B 0 , d’états de base |e 0 >, |e 1 >,… |e d-1 > ■ une deuxième action effectuée par le second participant sur ledit photon, comprenant deux troisième et quatrième étapes consécutives: ○ une troisième étape de décision d’appliquer ou non la transformation inverse P (-1) de ladite transformation P, permettant d’effectuer un changement de base d’encodage, depuis la base incompatible B 1 vers la base standard B 0 , ○ une quatrième étape de décision de transformation ou non de l’état quantique du photon reçu en un état quantique orthogonal correspondant dans la base d’encodage résultant de la troisième étape ■ mesure, dans la base standard B 0 , de l’état final du photon transmis dans la chaîne de communication par le récepteur, ■ échange sur un canal de communication classique entre les premier et second participants, des décisions des deuxième et troisième étapes, ■ obtention, entre les premier et second participants, d’une description de l’état quantique transmis correspondant à l’un des états de base |0>, |1>,… |d-1>, grâce aux informations de décisions des deuxième et troisième étapes et à la mesure de l’état final ; - puis, la reconstitution, par les premier et second participants, par concaténation, d’une séquence des descriptions des Q états quantiques transmis, pour q allant de 1 à Q. Par l’expression chaîne de communication, il doit être entendu une succession de participants connectés entre eux. Plus spécifiquement, le participant C 1 est connecté au participant C 2 ; pour i compris entre 2 et N-1, le participant C i succède et est connecté au participant C i-1 , et précède et est connecté au participant C i+1 ; le participant C N-1 précède et est connecté au dernier participant C N . En particulier, la première action, effectuée par le premier participant, comprend les étapes suivantes : - Choisir une valeur sq égale à 0 ou 1 - Choisir une valeur m comprise entre 0 et d-1 - Appliquer une transformation P sq X m au photon reçu à travers la chaîne de communication, ou dans le cas où i est égal à 1, au photon au début de la chaîne de communication, ladite transformation P sq X m correspondant à la succession des première et deuxième étapes dans laquelle : - la notation P 1 signifie que la transformation P a lieu, - la notation P 0 signifie que la transformation P n’a pas lieu - la notation X m désigne une transformation permettant de passer de l’état quantique de base |t>, t étant un entier compris entre 0 et d-1, à l’état orthogonal |(t+m) mod d> dans la base B 0 ou la transformation permettant de passer d’un état |e t > à |e t+m mod d> dans la base B 1 , pour m un entier compris entre 0 et d-1. En particulier, la deuxième action, effectuée par le second participant, comprend les étapes suivantes : - choisir une valeur tq égale à 0 ou 1 - choisir une valeur n comprise entre 0 et d-1 - appliquer une transformation X n P (-1)tq au photon reçu à travers la chaîne de communication, ladite transformation X n P (-1)tq correspondant à la succession des troisième et quatrième étapes dans laquelle : - la notation P (-1)1 signifie que la transformation P (-1) a lieu, - la notation P (-1)0 signifie que la transformation P (-1) n’a pas lieu. Un mode de réalisation particulier est celui où la dimension d de la base d’encodage est égale à 2. Dans un autre mode de réalisation du procédé de transmission sécurisée décrit dans cette demande, où le nombre de participants N est supérieur ou égal à 4, où le premier et le second participants ne sont ni l’émetteur, ni le récepteur, et où la séquence de Q photons encodant la séquence des Q états quantiques présente une puissance lumineuse donnée, la deuxième étape de décision d’appliquer ou non une transformation P permettant d’effectuer un changement de base d’encodage, depuis la base standard B 0 vers une base d’encodage B 1 incompatible avec la base standard B 0 est immédiatement suivie de : - une cinquième étape de prélèvement d’une première portion de la puissance lumineuse du flux de photons reçu du participant précédant immédiatement le premier participant, - une sixième étape de comparaison de la première portion avec une seconde portion de la puissance lumineuse du flux de photons envoyé par l’émetteur afin de détecter une potentielle injection de photons espions avant le premier participant. Dans ce même mode de réalisation du procédé de transmission sécurisée, la quatrième étape de décision de transformation ou non de l’état quantique du photon reçu en un état quantique orthogonal correspondant dans la base d’encodage résultant de la troisième étape est immédiatement suivie de : - une septième étape de prélèvement d’une troisième portion de la puissance lumineuse du flux de photons reçu du participant précédant immédiatement le second participant, - une huitième étape de comparaison de la troisième portion avec une quatrième portion de la différence entre la puissance lumineuse du flux de photons envoyé par l’émetteur et la première portion afin de détecter une potentielle injection de photons espions avant le second participant. Avantageusement, chaque état quantique est codé dans un degré de liberté du photon choisi parmi la phase, la différence de phase, la localisation temporelle, la polarisation ou la fréquence du photon. Avantageusement, dans le procédé de transmission sécurisé selon l’invention, la séquence de Q états quantiques est choisie de manière aléatoire dans le but d’établir une clé quantique. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de transmission sécurisée précédemment décrit, comprenant : - un laser apte à générer des photons et un modulateur initial apte à moduler un degré de liberté d’un photon généré, - N-2 modulateurs intermédiaires aptes à moduler un degré de liberté d’un photon reçu, - un détecteur de photons apte à détecter des photons uniques et un modulateur final apte à moduler un degré de liberté d’un photon reçu. Avantageusement, le laser et le modulateur initial sont associés à l’émetteur et aptes à être commandés par l’émetteur. Avantageusement, chacun des N-2 modulateurs intermédiaires est associé à un participant intermédiaire parmi les N-2 participants intermédiaires distincts de l’émetteur et du récepteur et apte à être commandé par ledit participant intermédiaire. Avantageusement, le détecteur de photons et le modulateur final sont associés au récepteur et sont aptes à être commandés par le récepteur. Ainsi, la connexion entre les N participants de la chaîne de communication peut être réalisée par la transmission d’un photon généré par le laser associé à l’émetteur à travers le modulateur initial, les N-2 modulateurs intermédiaires, le modulateur final, jusqu’au détecteur de photons associé au récepteur. Dans une variante du dispositif précédemment décrit, celui-ci peut comprendre en outre, dans le cas où le premier participant et le second participant sont tous les deux distincts de l’émetteur et du récepteur : - un premier séparateur de faisceau positionné en amont du modulateur associé au premier participant, - une première photodiode associée au premier participant et apte à mesurer une puissance lumineuse d’un flux de photons, - un deuxième séparateur de faisceau positionné en amont du modulateur associé au second participant, - une deuxième photodiode associée au second participant et apte à mesurer une puissance lumineuse d’un flux de photons. Cette variante du dispositif permet de mettre en œuvre le mode de réalisation du procédé de transmission sécurisée dans lequel les cinquième, sixième et septième étapes ont lieu. Avantageusement, le premier séparateur de faisceau est apte à séparer le flux de photons reçu du participant précédant immédiatement le premier participant dans la chaîne de communication dans deux directions distinctes, l’une en direction du modulateur associé au premier participant puis vers la suite de la chaîne de communication, l’autre en direction de la première photodiode. Avantageusement, le deuxième séparateur de faisceau est apte à séparer le flux de photons reçu du participant précédant immédiatement le second participant dans la chaîne de communication dans deux directions distinctes, l’une en direction du modulateur associé au second participant puis vers la suite de la chaîne de communication, l’autre en direction de la deuxième photodiode. Dans le cas où le degré de liberté du photon encodant l’état quantique est la phase de ce photon, le modulateur initial, les N-2 modulateurs intermédiaires et le modulateur final peuvent être des modulateurs de phase. Dans le cas où le degré de liberté du photon encodant l’état quantique est la polarisation de ce photon, le modulateur initial, les modulateurs intermédiaires et le modulateur final peuvent être des modulateurs de polarisation. Dans le cas où le degré de liberté du photon encodant l’état quantique est la localisation temporelle de ce photon, le modulateur initial, les modulateurs intermédiaires et le modulateur final peuvent comprendre chacun un nombre de lignes à retard égal à la dimension d de la base d’encodage des bits quantiques et un nombre de lames séparatrices égal au double du nombre de lignes à retard D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description détaillée qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées : - La figure 1 illustre plusieurs exemples de degrés de liberté pour l’encodage de bits quantiques ainsi que des exemples de bases incompatibles associées. - La figure 2 est un synoptique du procédé de transmission sécurisée d’un état quantique entre deux participants d’une chaîne de communication comprenant N participants en ligne selon un premier mode de réalisation. - La figure 3 illustre un exemple d’effet de transformations pouvant être appliquées sur un état quantique de référence dans le cadre du procédé de transmission sécurisée de séquences d’états quantiques. - La figure 4 illustre un exemple de réalisation d’attaque par canaux cachés dans un dispositif de communication quantique optique. - La figure 5 illustre une étape supplémentaire réalisée dans un deuxième mode de réalisation du procédé de transmission sécurisée d’un état quantique. - La figure 6 illustre une réalisation de dispositif pour la mise en œuvre du procédé de transmission sécurisée d’une séquence, pour une chaîne de communication quantique de 4 participants. - La figure 7 illustre un dispositif modulateur de localisation temporelle - La figure 8 est un exemple de bases incompatibles dans un espace vectoriel hilbertien de dimension 4. Procédé de transmission sécurisée d’une séquence de Q états quantiques q q encodée sous la forme d’une séquence de Q photons, q étant un entier compris entre 1 et Q, entre un premier participant (C i ) et un second participant (C j ), choisis parmi une pluralité de N participants distincts (C 1 ), …(C i ), …(C j ), …(C N ) d’un même canal de communication quantique formant une chaîne de communication entre un émetteur (C 1 ) et un récepteur (C N ), où N est un entier supérieur ou égal à 3, dans lequel le premier participant (C i ) est situé en amont du second participant (C j ) dans la chaîne de communication, ledit procédé comprenant, dans l’ordre : la succession des étapes suivantes, répétée de q=1 à Q : préparation par l’émetteur (C 1 ) d’un photon dans un état quantique de base de référence |0> d’une base d’encodage B 0 orthonormée nommée base standard de dimension d et d’états de base |0>, |1>,… |d-1>, transmission du photon préparé dans la chaîne de communication, une première action effectuée par le premier participant (C i ) sur ledit photon, comprenant deux première et deuxième étapes (G 1 ) et (G 2 ) consécutives : ○ une première étape (G 1 ) de décision de transformation ou non de l’état quantique du photon transmis, en un état quantique de base orthogonal dans la base d’encodage B 0 , ○ une deuxième étape (G 2 ) de décision d’appliquer ou non une transformation P permettant d’effectuer un changement de base d’encodage, depuis la base standard B 0 vers une base d’encodage B 1 incompatible avec la base standard B 0 , d’états de base |e 0 >, |e 1 >,… |e d-1 > une deuxième action effectuée par le second participant (C j ) sur ledit photon, comprenant deux troisième et quatrième (G 3 ) et (G 4 ) étapes consécutives : ○ une troisième étape (G 3 ) de décision d’appliquer ou non la transformation inverse P (-1) de ladite transformation P, permettant d’effectuer un changement de base d’encodage, depuis la base incompatible B 1 vers la base standard B 0 , ○ une quatrième étape (G 4 ) de décision de transformation ou non de l’état quantique du photon reçu du participant immédiatement précédent (C j-1 ) en un état quantique orthogonal correspondant dans la base d’encodage résultant de la troisième étape (G 3 ) mesure, dans la base standard B 0 , de l’état final |alpha final > du photon transmis dans la chaîne de communication par le récepteur (C N ), échange sur un canal de communication classique entre les premier et second participants (C i ) et (C j ) des décisions des deuxième et troisième étapes (G 2 ) et (G 3 ), obtention, entre les premier et second participants (C i ) et (C j ), d’une description de l’état quantique transmis q q correspondant à l’un des états de base |0>, |1>,… |d-1>, grâce aux informations de décisions des deuxième et troisième étapes (G 2 ) et (G 3 ) et à la mesure de l’état final |alpha final >, puis, la reconstitution, par les premier et second participants (C i ) et (C j ), par concaténation, d’une séquence des descriptions des Q états quantiques transmis q q , pour q allant de 1 à Q. Procédé de transmission sécurisée selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque répétition de q=1 à Q de la succession d’étapes selon la revendication 1 : la première action, effectuée par le premier participant (C i ), comprend les étapes suivantes : Choisir une valeur sq égale à 0 ou 1 Choisir une valeur m comprise entre 0 et d-1 Appliquer une transformation P sq X m au photon reçu à travers la chaîne de communication, ou dans le cas où i est égal à 1, au photon au début de la chaîne de communication, ladite transformation P sq X m correspondant à la succession des première et deuxième étapes (G 1 ) et (G 2 ) la deuxième action, effectuée par le second participant (C j ), comprend les étapes suivantes : Choisir une valeur tq égale à 0 ou 1 Choisir une valeur n comprise entre 0 et d-1 Appliquer une transformation X n P (-1)tq au photon reçu à travers la chaîne de communication, ladite transformation X n P (-1)tq correspondant à la succession des troisième et quatrième étapes (G3) et (G4) dans lequel : la notation P 1 signifie que la transformation P a lieu, la notation P 0 signifie que la transformation P n’a pas lieu, la notation P (-1)1 signifie que la transformation P (-1) a lieu, la notation P (-1)0 signifie que la transformation P (-1) n’a pas lieu, la notation X m désigne une transformation permettant de passer de l’état quantique de base |t>, t étant un entier compris entre 0 et d-1, à l’état orthogonal |(t+m) mod d> dans la base B 0 ou la transformation permettant de passer d’un état |e t > à |e t+m mod d > dans la base B 1 , pour m un entier compris entre 0 et d-1. Procédé de transmission sécurisée selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite dimension d est égale à 2. Procédé de transmission sécurisée selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel i est différent de 1 et N, et j est différent de 1 et N, la séquence des Q photons encodant la séquence des Q états quantiques q q présente une puissance lumineuse donnée P seq et N est un entier supérieur ou égal à 4, et dans lequel : La deuxième étape (G 2 ) est immédiatement suivie de : une cinquième étape (G 5 ) de prélèvement d’une première portion (P seq1 ) de la puissance lumineuse (P seq ) du flux de photons reçu du participant (C i-1 ) précédant immédiatement le premier participant (C i ), une sixième étape (G 6 ) de comparaison de la première portion (P seq1 ) avec une seconde portion (P seq1’ ) de la puissance lumineuse (P seq ) du flux de photons envoyé par l’émetteur (C 1 ) afin de détecter une potentielle injection de photons espions avant le premier participant (C i ), La quatrième étape (G 4 ) est immédiatement suivie de : une septième étape (G 7 ) de prélèvement d’une troisième portion (P seq2 ) de la puissance lumineuse du flux de photons reçu du participant (C j-1 ) précédant immédiatement le second participant (C j ), une huitième étape (G 8 ) de comparaison de la troisième portion (P seq2 ) avec une quatrième portion (P seq2’ ) de la différence entre la puissance lumineuse du flux de photons envoyé par l’émetteur (P seq ) et la première portion (P seq1 ) afin de détecter une potentielle injection de photons espions avant le second participant (C j ). Procédé de transmission sécurisée, selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel chaque état quantique q q est codé dans un degré de liberté du photon choisi parmi la phase, la différence de phase, la localisation temporelle, la polarisation ou la fréquence du photon. Procédé de transmission sécurisée selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel la séquence de Q états quantiques q q est choisie de manière aléatoire dans le but d’établir une clé quantique. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé de transmission sécurisée selon l’une des revendications 1 à 3, ou 5, comprenant : - un laser apte à générer des photons et un modulateur initial apte à moduler un degré de liberté d’un photon généré, - N-2 modulateurs intermédiaires aptes à moduler un degré de liberté d’un photon reçu, - un détecteur de photons apte à détecter des photons uniques et un modulateur final apte à moduler un degré de liberté d’un photon reçu, dans lequel : le laser et le modulateur initial sont associés à l’émetteur (C 1 ) et sont aptes à être commandés par l’émetteur (C 1 ), chacun des N-2 modulateurs intermédiaires est associé à un participant intermédiaire (C k ) parmi les N-2 participants intermédiaires (C 2 ) à (C N-1 ) distincts de l’émetteur (C 1 ) et du récepteur (C N ) et est apte à être commandé par ledit participant intermédiaire (C k ), le détecteur de photons et le modulateur final sont associés au récepteur (C N ) et sont aptes à être commandés par le récepteur (C N ). Dispositif selon la revendication 7 pour la mise en œuvre d’un procédé de transmission sécurisée comprenant en outre, dans le cas où le premier participant (C i ) et le second participant (C j ) sont tous les deux distincts de l’émetteur (C 1 ) et du récepteur (C N ) : - un premier séparateur de faisceau (S i ) positionné en amont du modulateur associé au premier participant (C i ), - une première photodiode (PD i ) associée au premier participant (C i ) et apte à mesurer une puissance lumineuse d’un flux de photons, - un deuxième séparateur de faisceau (S j ) positionné en amont du modulateur associé au second participant (C j ), - une deuxième photodiode (PD j ) associée au second participant (C j ) et apte à mesurer une puissance lumineuse d’un flux de photons, dans lequel : le premier séparateur de faisceau (S i ) est apte à séparer un flux de photons reçu du participant précédant immédiatement le premier participant dans lachaîne de communication (C i-1 ) dans deux directions distinctes, l’une en direction du modulateur du premier participant (C i ) puis vers la suite de la chaîne de communication, l’autre en direction de la première photodiode (PD i ), le deuxième séparateur de faisceau (S j ) est apte à séparer un flux de photons reçu du participant précédant immédiatement le second participant dans la chaîne de communication (C j-1 ) dans deux directions distinctes, l’une en direction du modulateur du second participant (C j ) puis vers la suite de la chaîne de communication, l’autre en direction de la deuxième photodiode (PD j ), dans le but de mettre en œuvre le procédé de transmission sécurisée selon la revendication 4. Dispositif pour la mise en œuvre d’un procédé de transmission sécurisée selon la revendication 7 ou 8, dans lequel : Le degré de liberté du photon choisi est la phase Le modulateur initial, les modulateurs intermédiaires et le modulateur final sont des modulateurs de phase. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé de transmission sécurisée selon la revendication 7 ou 8, dans lequel : Le degré de liberté du photon choisi est la polarisation Le modulateur initial, les modulateurs intermédiaires et le modulateur final sont des modulateurs de polarisation. Dispositif pour la mise en œuvre d’un procédé de transmission sécurisée selon la revendication 7 ou 8, dans lequel : Le degré de liberté du photon choisi est la localisation temporelle Le modulateur initial, les modulateurs intermédiaires et le modulateur final comprennent chacun un nombre de lignes à retard égal à la dimension de la base d’encodage des bits quantiques et un nombre de lames séparatrices égal au double du nombre de lignes à retard.