Brevet FR3136328A1 — publié le 20231208

Il est proposé un émetteur (Alice) configuré pour transmettre un signal interférométrique encodé S 2 à travers un canal de transmission, l’émetteur comportant un module de génération de signal (100) configuré pour générer un signal quantique intermédiaire et un signal de contrôle intermédiaire S c . Le module de génération de signal (100) est en outre configuré pour effectuer un décalage fréquentiel entre le signal quantique intermédiaire et le signal de contrôle intermédiaire S c . L’émetteur comporte également un module interférométrique d’encodage (200) configuré pour déterminer le signal interférométrique encodé S 2 comprenant un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S cA parcourant un chemin optique sensiblement similaire. Le module interférométrique d’encodage (200) comprend un dispositif d’encodage configuré pour appliquer une modulation de phase uniquement à une composante du signal quantique intermédiaire . Figure pour l’abrégé : [Fig.2] Système et procédé de détermination de clés de cryptage utilisant l’encodage de phase d’un signal La présente invention concerne de manière générale le domaine des communications quantiques, et en particulier un système et un procédé de détermination de clés de cryptage quantique. La détermination de clés de cryptage quantique (ou QKD, acronyme pour l’expression anglo-saxonne correspondante ‘Quantum Key Distribution’ signifiant ‘distribution de clés quantiques’ en français) est une technologie de détermination de clés secrètes (encore appelée technologie d’établissement de clés secrètes) entre des utilisateurs distants dans le cadre de communications optiques hautement sécurisées. Cette technologie utilise des protocoles cryptographiques basés sur des lois de la mécanique quantique. En particulier, on distingue la classe des protocoles « prépare et mesure » (P&M, acronyme pour l’expression anglo-saxonne correspondante ‘Prepare and Measure’) des protocoles basés sur l’intrication quantique. Dans le domaine de la cryptographie, les utilisateurs distants sont classiquement nommés Alice (dispositif émetteur) et Bob (dispositif récepteur). Un protocole P&M de détermination quantique utilisant un « encodage en phase » comporte une étape d’émission, une étape de réception, et une étape de réconciliation. La première étape d’émission est effectuée par l’émetteur Alice et consiste à préparer une information quantique (appelé aussi « qubit ») encodée sur la phase d’un signal optique impulsionnel S possédant en moyenne moins d’un photon par impulsion, puis à émettre ce signal S par un canal de transmission quantique. L’émetteur Alice comprend notamment un interféromètre optique composé de deux bras optique asymétriques. L’information quantique est alors un signal quantique (i.e. photon unique) modulé selon une phase dans un des bras de l’interféromètre de l’émetteur Alice. Dans la deuxième étape effectuée par le récepteur Bob, une estimation de l'information quantique sur le signal reçu est effectuée. Le récepteur Bob comprend également un interféromètre optique, sensiblement identique à l’interféromètre de l’émetteur Alice. Une modulation de phase (indépendante de ) est alors appliquée, au signal quantique reçu, dans un des bras de l’interféromètre du récepteur Bob. Dans la troisième étape de réconciliation, l’émetteur Alice et le récepteur Bob se communiquent les modulations de phase identiques, c’est-à-dire telles que , via un canal public authentifié. Selon ce protocole P&M de détermination de clé quantique qui utilise un encodage en phase, toute fluctuation de phase indésirable générée par l’un ou l’autre des interféromètres du système de distribution de clés de cryptage quantique conduit à des incertitudes de probabilité de mesure des photons uniques en réception et donc à des erreurs sur les qubits mesurés et sur l’établissement de la clé secrète. Des fluctuations de phase possibles sont des fluctuations de phase aléatoires qui peuvent être d’un ordre thermique, vibrationnel, ou issues de toute autre source de bruit influant sur la qualité du signal se propageant dans chacun des interféromètres. Il en résulte des variations de phase propres à chacun des interféromètres optiques du système qui ne peuvent pas être parfaitement identiques. D’autres fluctuations de phase possibles sont des fluctuations de phase déterministes présentent dans des systèmes comprenant un émetteur Alice et un récepteur Bob en mouvement relatif l’un par rapport à l’autre. Elles induisent des variations de phase dues au changement de la géométrie de transmission du signal au cours du temps, comme décrit dans l’article “Interference at the Single Photon Level Along Satellite-Ground Channels” de G. Vallone et al. 2016, Phys. Rev. Lett. 116, 253601. Pour résoudre les problèmes de fluctuations de phase aléatoires, les systèmes de détermination de clés de cryptage quantique connus utilisent deux solutions distinctes. La première solution consiste à effectuer une stabilisation passive des interféromètres optiques, en les isolant thermiquement et en les plaçant dans un environnement dépourvu de vibrations, comme décrit dans l’article “Gigahertz decoy quantum key distribution with 1 Mbit/s secure key rate” de A. R. Dixon et al. 2008, Optics Express Vol. 16, Issue 23, pp. 18790-18797. Cette solution, bien qu’efficace pour les applications en environnements contrôlés selon une communication fibrée au sol, n’est pas adaptée aux applications ayant des conditions extrêmes d’utilisation. En particulier dans le domaine spatial, dans lequel au moins un des utilisateurs distants est un satellite, cette solution implique l’utilisation d’une boucle d’asservissement à bord du satellite, augmentant ainsi les facteurs de coût, de poids et de puissance de sa charge utile. La seconde solution consiste à effectuer un multiplexage temporel du signal quantique avec un signal de contrôle impulsionnel possédant un grand nombre de photons, comme décrit dans l’article “10-Mb/s Quantum Key Distribution” de Z. Yuan et al. 2018, Journal of Lightwave Technology, Volume:36 Issue:16. Cette solution entraîne une réduction du débit d’informations quantiques transmises et nécessite l’utilisation d’une électronique de compensation en temps réel qui peut se révéler difficile à mettre en place. De plus, le phénomène d’atténuation en intensité des impulsions du signal de contrôle, dû à des variations du taux de transmission atmosphérique, pourrait être interprétée comme une baisse de contraste engendrée par les fluctuations de phase dans les interféromètres, et conduire ainsi à une correction erronée des fluctuations de phase. Les systèmes de détermination de clés de cryptage quantique existants ne sont ainsi pas capables de résoudre les problèmes de fluctuations de phase déterministes. Il existe ainsi un besoin pour un système et un procédé de détermination de clés de cryptage quantique amélioré, qui soit notamment capable de corriger les fluctuations de phase aléatoires induites par les interféromètres servant à l’encodage et au décodage de la phase, ainsi que les fluctuations de phase déterministes présentes lorsque le transmetteur et le récepteur sont en mouvement l’un par rapport à l’autre. La présente invention vient améliorer la situation en proposant un émetteur (Alice) configuré pour transmettre un signal interférométrique encodé S 2 à travers un canal de transmission, l’émetteur comprenant un module de génération de signal configuré pour générer un signal quantique intermédiaire et un signal de contrôle intermédiaire S c , le module de génération de signal étant en outre configuré pour effectuer un décalage fréquentiel entre le signal quantique intermédiaire et le signal de contrôle intermédiaire S c . L’émetteur comprend également un module interférométrique d’encodage configuré pour déterminer le signal interférométrique encodé S 2 comprenant un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S cA parcourant un chemin optique sensiblement similaire, le module interférométrique d’encodage comprenant un dispositif d’encodage configuré pour appliquer une modulation de phase uniquement à une composante du signal quantique intermédiaire . Dans des modes de réalisation, le module interférométrique d’encodage peut être implémenté sous la forme d’un interféromètre optique asymétrique comprenant un premier bras interférométrique et un deuxième bras interférométrique, le premier bras interférométrique étant plus court que le deuxième bras interférométrique. Le dispositif d’encodage peut alors comprendre au moins une unité de séparation fréquentielle positionnée sur le deuxième bras interférométrique, l’unité de séparation fréquentielle étant configurée pour effectuer un découplage fréquentiel du signal quantique intermédiaire et du signal de contrôle intermédiaire S c . Avantageusement, le module de génération de signal peut comprendre en outre une unité de décalage temporel configurée pour décaler temporellement le signal quantique intermédiaire et le signal de contrôle intermédiaire S c . La présente invention propose de plus un récepteur (Bob) configuré pour recevoir un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S cA à travers un canal de transmission (50), le récepteur comprenant un module interférométrique de transcodage configuré pour générer un signal quantique interférométrique transcodé et un signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , le module interférométrique de transcodage comprenant un dispositif de transcodage et de modulation de phase configuré pour appliquer une modulation de phase eff uniquement à une composante du signal quantique interférométrique encodé et une modulation de phase uniquement à une composante du signal de contrôle interférométrique S cA . Le récepteur comprend également un module de traitement configuré pour effectuer la mesure interférométrique du signal quantique interférométrique transcodé et du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , le module de traitement étant en outre configuré pour déterminer la modulation de phase eff à partir de la modulation de phase et de la mesure interférométrique du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB . Dans des modes de réalisation, le module interférométrique de transcodage peut être implémenté sous la forme d’un interféromètre optique asymétrique comprenant un premier bras interférométrique et un deuxième bras interférométrique, le premier bras interférométrique étant plus court que le deuxième bras interférométrique. Le dispositif de transcodage et de modulation de phase peut alors comprendre au moins une unité de séparation fréquentielle positionnée sur le deuxième bras interférométrique, l’unité de séparation fréquentielle étant configurée pour effectuer un découplage fréquentiel du signal quantique interférométrique encodé et du signal de contrôle interférométrique S cA . Avantageusement, le module interférométrique de transcodage peuvent comprendre deux chemins optiques en sortie de l’interféromètre, et le module de traitement peut comprendre deux parties de traitement comprenant chacune une unité de séparation fréquentielle configurée pour effectuer la mesure interférométrique du signal quantique interférométrique transcodé et du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , provenant des deux chemins optiques. Les modes de réalisation de l’’invention fournissent ainsi un système de détermination de clé de cryptage quantique comprenant un émetteur (Alice) et un récepteur (Bob). Il est en outre proposé un procédé d’émission d’un signal interférométrique encodé S 2 , mis en œuvre par l’émetteur (Alice), le procédé comprenant les étapes consistant à : - générer un signal quantique intermédiaire de fréquence et un signal de contrôle intermédiaire S c de fréquence ayant un décalage fréquentiel égal à - appliquer une modulation de phase à une composante du signal quantique intermédiaire passant à travers un interféromètre, - générer le signal interférométrique encodé S 2 comprenant un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S cA . Le procédé d’émission comprend en outre une étape consistant à appliquer un retard temporel entre le signal quantique intermédiaire et le signal de contrôle intermédiaire S c . Il est également proposé un procédé de réception d’un signal quantique interférométrique encodé et d’un signal de contrôle interférométrique S cA , mis en œuvre par le récepteur (Bob), le procédé comprenant les étapes consistant à : - appliquer une modulation de phase à la composante du signal de contrôle interférométrique S cA et générer un signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , - effectuer une mesure interférométrique du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , - déterminer une modulation de phase eff à partir de la modulation de phase et de la mesure interférométrique du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , - appliquer la modulation de phase eff à la composante du signal quantique interférométrique encodé et générer un signal quantique interférométrique transcodé , - effectuer une mesure interférométrique du signal quantique interférométrique transcodé . Le système et le procédé d’établissement de clés de cryptage quantique selon les modes de réalisation de l’invention permettent de corriger les fluctuations de phase aléatoires induites par les interféromètres servant à l’encodage et au décodage de la phase et les fluctuations de phase déterministes présentes lorsque le transmetteur et le récepteur sont en mouvement l’un par rapport à l’autre, afin d’établir la clé quantique. Description des figures D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple. La est un schéma représentant un système de détermination de clés de cryptage quantique, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un schéma représentant un module de génération de signal d’un émetteur, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un schéma représentant un module interférométrique d’encodage d’un émetteur, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un schéma représentant un module interférométrique de transcodage d’un récepteur, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un schéma représentant un module de traitement d’un récepteur, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un schéma représentant une unité de correction du module de traitement d’un récepteur, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un organigramme représentant un procédé de détermination de clés de cryptage quantique réalisé par un émetteur, selon des modes de réalisation de l’invention. La est un organigramme représentant un procédé de détermination de clés de cryptage quantique réalisé par un récepteur, selon des modes de réalisation de l’invention. Des références identiques sont utilisées dans les figures pour désigner des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas à l’échelle. Emetteur configuré pour transmettre un signal interférométrique encodé S 2 à travers un canal de transmission (50), caractérisé en ce que ledit émetteur comprend : un module de génération de signal (100) configuré pour générer un signal quantique intermédiaire et un signal de contrôle intermédiaire S c , ledit module de génération de signal (100) étant en outre configuré pour effectuer un décalage fréquentiel entre le signal quantique intermédiaire et le signal de contrôle intermédiaire S c , un module interférométrique d’encodage (200) configuré pour déterminer un signal interférométrique encodé S 2 comprenant un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S c A parcourant un chemin optique sensiblement similaire, ledit module interférométrique d’encodage (200) comprenant un dispositif d’encodage (240D) configuré pour appliquer une modulation de phase uniquement à une composante du signal quantique intermédiaire . Emetteur, selon la revendication précédente, dans lequel le module interférométrique d’encodage (200) est implémenté sous la forme d’un interféromètre optique asymétrique comprenant un premier bras interférométrique (240-1) et un deuxième bras interférométrique (240-2), le premier bras interférométrique (240-1) étant plus court que le deuxième bras interférométrique (240-2), et dans lequel ledit dispositif d’encodage (240D) comprend au moins une unité de séparation fréquentielle (244) positionnée sur ledit deuxième bras interférométrique (240-2), ladite unité de séparation fréquentielle (244) étant configurée pour effectuer un découplage fréquentiel du signal quantique intermédiaire et du signal de contrôle intermédiaire S c . Emetteur, selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le module de génération de signal (100) comprend en outre une unité de décalage temporel configurée pour décaler temporellement le signal quantique intermédiaire et le signal de contrôle intermédiaire S c . Récepteur configuré pour recevoir un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S cA à travers un canal de transmission (50), caractérisé en ce que ledit récepteur comprend : un module interférométrique de transcodage (300) configuré pour générer un signal quantique interférométrique transcodé et un signal de contrôle interférométrique modulé en phase S c B , ledit module interférométrique de transcodage (300) comprenant un dispositif de transcodage et de modulation de phase (340D) étant configuré pour appliquer une modulation de phase eff uniquement à une composante du signal quantique interférométrique encodé et une modulation de phase uniquement à une composante du signal de contrôle interférométrique S cA , un module de traitement (400) configuré pour effectuer la mesure interférométrique du signal quantique interférométrique transcodé et du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , ledit module de traitement (400) étant en outre configuré pour déterminer la modulation de phase eff à partir de la modulation de phase et de la mesure interférométrique du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB . Récepteur, selon la revendication 4, dans lequel le module interférométrique de transcodage (300) est implémenté sous la forme d’un interféromètre optique asymétrique comprenant un premier bras interférométrique (340-1) et un deuxième bras interférométrique (340-2), le premier bras interférométrique (340-1) étant plus court que le deuxième bras interférométrique (340-2), et dans lequel ledit dispositif de transcodage et de modulation de phase (340D) comprend au moins une unité de séparation fréquentielle (344) positionnée sur ledit deuxième bras interférométrique (340-2), ladite unité de séparation fréquentielle (244) étant configurée pour effectuer un découplage fréquentiel du signal quantique interférométrique encodé et du signal de contrôle interférométrique S cA . Récepteur, selon d’une des revendications 4 ou 5, dans lequel le module interférométrique de transcodage (300) comprend deux chemins optiques (340-3, 340-4) en sortie dudit interféromètre, et dans lequel le module de traitement (400) comprend deux parties de traitement (420, 440) comprenant chacune une unité de séparation fréquentielle (422, 442) configurée pour effectuer la mesure interférométrique du signal quantique interférométrique transcodé et du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , provenant des deux chemins optiques (340-3 et 340-4) Système de détermination de clé de cryptage quantique (1) comprenant un émetteur défini selon l’une des revendications 1 à 3 et un récepteur défini selon l’une des revendications 4 à 6. Procédé d’émission d’un signal interférométrique encodé S 2 , mis en œuvre par l’émetteur selon les revendications 1 à 3, le procédé comprenant les étapes consistant à : générer (700) un signal quantique intermédiaire de fréquence et un signal de contrôle intermédiaire S c de fréquence ayant un décalage fréquentiel égal à appliquer (704) une modulation de phase à une composante du signal quantique intermédiaire passant à travers un interféromètre, générer (706) le signal interférométrique encodé S 2 comprenant un signal quantique interférométrique encodé et un signal de contrôle interférométrique S cA . Procédé d’émission d’un signal interférométrique encodé S 2 , selon la revendication 8, dans lequel le procédé comprend en outre une étape consistant à appliquer (701) un retard temporel entre ledit signal quantique intermédiaire et ledit signal de contrôle intermédiaire S c . Procédé de réception d’un signal quantique interférométrique encodé et d’un signal de contrôle interférométrique S cA , mis en œuvre par le récepteur selon les revendications 4 à 6, le procédé comprenant les étapes consistant à : appliquer (802) une modulation de phase à la composante du signal de contrôle interférométrique S cA et générer un signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , effectuer (804) une mesure interférométrique du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , déterminer (808) une modulation de phase eff à partir de ladite modulation de phase et de la mesure interférométrique du signal de contrôle interférométrique modulé en phase S cB , appliquer (810) la modulation de phase eff à la composante du signal quantique interférométrique encodé et générer un signal quantique interférométrique transcodé , effectuer (812) une mesure interférométrique du signal quantique interférométrique transcodé .