Conception et optimisation d'outils pour l'Internet quantique

Design and Optimization of Tools for the Quantum Internet

• Auteur / Autrice : Raja Yehia
• Direction : Eleni Diamanti, Iordanis Kerenidis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Information quantique
• Date : Soutenance le 24/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Romain Alléaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magdalena Stobinska, André Chailloux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Pappa, André Xuereb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Simulation quantique

Cryptographie quantique

Informatique quantique

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Internet Quantique

Simulation

Sécurité

Réseau

Application

Communication

Quantum Internet

Simulation

Security

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans l’effort international pour construire des réseaux quantiques utilisables par tous. Nous essayons de souligner les problématiques importantes ainsi que les paramètres expérimentaux pouvant être bloquants. Nous explorons différents aspects des réseaux quantiques en vue d’aider la communauté internationale à construire l’Internet quantique. Après avoir introduit certaines notions de base d’informatique quantique pour la compréhension de la suite, nous définissons l’Internet quantique, dégageons les principales problématiques et enjeux. Puis, nous nous penchons sur une série de protocoles, bipartites et multipartites, que nous explicitons. Ensuite, nous étudions la sécurité composable d’un protocole réseau de vérification d’intrication multipartite, utilisé comme bloc de base par de nombreux autres protocoles. Dans le chapitre suivant, nous simulons et analysons différents protocoles de répéteurs quantiques permettant de lier deux nœuds du réseau à grande distance. Ces répéteurs utilisent un défaut dans la structure cristalline du diamant, que nous modélisons. Enfin, les deux derniers chapitres sont dédiés à la construction et à la simulation d’une architecture de réseau quantique transnational qui minimise la quantité de matériel nécessaire pour les utilisateurs du réseau. Nous étudions d’abord un réseau métropolitain, dont nous simulons une instance dans un contexte parisien. Nous exposons les paramètres expérimentaux ainsi que les performances actuelles. Ensuite nous étudions la possibilité d’établir une connexion entre différentes villes quantiques distantes de plusieurs centaines de kilomètres à l’aide de satellites.

This thesis is written in the context of quantum Internet development. We try here to contribute to the community by discussing some security concerns and by providing detailed models and simulation studies of quantum internet architectures and protocols. We explore different aspects of quantum networks on the path to the Quantum Internet. After introducing basic quantum information notions, we define the Quantum Internet and highlight the main goals and challenges. Then, we list a few bipartite and multipartite applications. After that, we study the composable security of a multipartite entanglement verification protocol, that is used as a building block by many other protocols. In the following chapter, we perform simulations of different quantum repeater protocols allowing connection between two distant nodes. These repeaters use a defect in the crystalline structure of the diamond, that we model. Finally, the last two chapters are dedicated to building and simulating an international quantum network architecture that minimizes the necessary hardware for the end users. We first study a metropolitan network, called the Quantum City, that we simulate in a Parisian context. We highlight the main parameters and today’s performances. Then, we study the feasibility of connecting different quantum cities separated by hundred of kilometers using satellites.