Certification «boîte noire» : ressources quantique et distribution quantique de clé

Device-independent certification : quantum resources and quantum key distribution

• Auteur / Autrice : Xavier Valcarce
• Direction : Nicolas Sangouard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/05/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique théorique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1982-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antonio Acín, Nicolas Brunner, Peter Brown
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Acín, Nicolas Brunner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intrication quantique

Cryptographie quantique

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Information Quantique

Communication Quantique

Internet Quantique

Cryptographie Quantique

Certification «boîte noire»

Distribution Quantique de Clé de type «boîte noire»

Quantum Information

Quantum Communication

Quantum Internet

Quantum Cryptography

Device-Independent Certification

Device-Independent Quantum Key Distribution

Résumé

L'information quantique est un nouveau paradigme qui utilise des systèmes quantiques pour le transfert, l'échange et le traitement de l'information. En tirant avantage des propriétés de la physique quantique, les protocoles d'information quantique offrent des améliorations notables sur certains protocoles classiques de calculs et de communication. Grâce aux corrélations non-locales, il est possible de certifier de façon fiable des systèmes quantiques et de construire des protocoles cryptographiques avec des garantis de sécurité inégalée. Certaines de ces certifications et preuves de sécurité adoptent une approche extit{boîte noire} -- elles peuvent être formulées à partir des statistiques de résultats de mesures, sans faire d'hypothèse sur le fonctionnement interne des appareils quantiques à l'origine de ces statistiques. Dans cette thèse, nous étudions deux de ces protocoles boîte noire, de leurs fondements à leurs réalisations expérimentales. Tout d'abord, nous explorons le self-testing, le protocole boîte noire le plus fondamental, qui certifie adéquatement le fonctionnement d'appareils quantiques. Nos recherches ont mis en lumière des limites fondamentales du self-testing et ont permis d'étendre son champ d'application. Dans un second temps, nous analysons la distribution quantique de clé de type boîte noire, un protocole de cryptographie quantique ayant une sécurité démontrable. En plus d'avoir étendu les preuves de sécurités, nous proposons également une méthode produisant des schémas expérimentaux ouvrant la voie à une première expérience photonique de distribution quantique de clés de type boîte noire. Finalement, nous inscrivons ces protocoles dans une perspective plus globale en montrant comment le self-testing et la cryptographie quantique sont des éléments-clés dans le développement d'un internet quantique.

Quantum information is a new paradigm in which quantum systems are used to carry, transfer and process information. Leveraging fundamental properties of quantum physics, quantum information protocols have been developed to enhance the capabilities of classical protocols for computation and communication tasks. In particular, non-local correlations have been used to reliably certify quantum systems and to provide unprecedented security guarantees on cryptographic protocols. These certifications and security proofs are device-independent -- they can be formulated solely from the observed statistics of measurement results, without making assumptions on the inner-working of the quantum devices from which these results originate. In this thesis, we study two of these device-independent protocols, from their foundations to their experimental implementations. Firstly, we explore self-testing, the most fundamental device-independent protocol, which suitably certifies the functioning of quantum devices. In our effort, we highlight fundamental limits of self-testing, and widen its range of applicability. Secondly, we investigate device-independent quantum key distribution, a quantum cryptographic protocol that can be used to secure data exchange with provable security guarantees. Beside extensions of existing security proofs, we also propose a way to generate new implementation schemes which could lead to a first photonic realisation of device-independent quantum key distribution. Finally, we wrap up all of these protocols into a global perspective, showing how self-testing and quantum cryptography are complementary elements in the realization of a quantum internet.