Communications quantiques multimodes et cryptographie hybride

Multimode Quantum Communications and Hybrid Cryptography

• Auteur / Autrice : Francesco Mazzoncini
• Direction : Romain Alléaume, Sylvain Gigan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/06/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eleni Diamanti, Norbert Lütkenhaus, Renato Renner, Sophie Laplante, Hugo Defienne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Norbert Lütkenhaus, Renato Renner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryptographie quantique

Optique quantique

Informatique quantique

Mots clés libres

Communications quantiques

Cryptographie quantique

Optique quantique

Quantum communication

Quantum cryptography

Quantum optics

Résumé

La cryptographie quantique a été largement définie comme une forme novatrice de cryptographie ne reposant sur aucune hypothèse de difficulté computationnelle. Cependant, avec l'évolution du domaine, et en particulier alors que la distribution quantique de clé (QKD) atteint des niveaux élevés de préparation technologique, il semble qu'il faille trouver un équilibre critique. D'une part, il y a la quête du niveau de sécurité théorique le plus élevé. D'autre part, une seconde direction consiste à optimiser la sécurité et la performance pour une utilisation réelle, tout en offrant un avantage par rapport à la cryptographie classique. Dans cette thèse, nous avons exploré de nouvelles voies vers cette seconde direction, à savoir la cryptographie quantique en conditions réelles.Dans le premier projet, nous défendons un message simple mais puissant : les attaques les plus dangereuses contre la QKD, pour lesquelles le développement de contre-mesures est crucial, sont les plus faciles à mettre en œuvre. Par conséquent, nous effectuons une évaluation de la vulnérabilité d'un dispositif de QKD à variables continues, proposant une nouvelle méthodologie pour la certification de sécurité basée sur le classement des attaques.Dans le deuxième projet, nous introduisons une construction explicite pour un protocole de distribution de clés dans le modèle de sécurité Quantum Computational Timelock (QCT), où l'on suppose que le chiffrement sécurisé computationnellement ne peut être rompu qu'après un temps bien plus long que le temps de cohérence des mémoires quantiques disponibles. En tirant parti des hypothèses QCT, nous construisons un protocole de distribution de clés basé sur le problème de Hidden Matching, pour lequel il existe un écart exponentiel en complexité de communication unidirectionnelle entre les stratégies classiques et quantiques. En particulier, en exploitant cet écart exponentiel, nous débloquons la possibilité d'envoyer plusieurs copies du même état pour réaliser un établissement de clé sécurisé à long terme avec des performances qui vont au-delà de la QKD standard.En nous appuyant sur notre travail théorique sur l'établissement de clés, dont la sécurité et l'efficacité reposent sur la capacité des deux parties à résoudre un problème de complexité de communication quantique plus efficacement que ce qui est possible classiquement, dans le dernier projet expérimental, nous étudions la faisabilité de démontrer un avantage quantique en complexité de communication. En particulier, nous exploitons le mélange de modes complexe inhérent aux fibres multimodes en employant des techniques de wavefront shaping pour aborder les problèmes de complexité de communication quantique.

Quantum cryptography has been largely defined as a novel form of cryptography that would not rely on any computational hardness assumption. However, as the field progresses, and in particular as Quantum Key Distribution (QKD) reaches high technological readiness levels, it appears that there might be a critical balance to strike. On the one hand, we have the quest for the highest theoretical security level. On the other, a second direction consists in optimizing security and performance for real-world use, while still providing an edge over classical cryptography. In this thesis, we have explored new paths towards this second direction, namely real-world quantum cryptography.In the first project, we promote a simple yet powerful message: the most dangerous attacks against QKD, for which the development of countermeasures is crucial, are the easiest ones to implement. Hence, we perform a vulnerability assessment of a Continuous-Variable QKD system device, proposing a novel methodology for security certification based on attack rating.In the second project, we introduce an explicit construction for a key distribution protocol in the Quantum Computational Timelock (QCT) security model, where one assumes that computationally secure encryption may only be broken after a time much longer than the coherence time of available quantum memories. Taking advantage of the QCT assumptions, we build a key distribution protocol on top of the Hidden Matching problem, for which there exists an exponential gap in one-way communication complexity between classical and quantum strategies.In particular, by exploiting this exponential gap, we unlock the possibility of sending multiple copies of the same state to perform everlasting secure key establishment with performances that go beyond standard QKD.Building on our theoretical work on key establishment, whose security and effectiveness hinge on the ability of two parties to address a quantum communication complexity problem more efficiently than is possible classically, in the last experimental project we investigate the feasibility of demonstrating a quantum advantage in communication complexity. In particular, we leverage the intricate mode mixing inherent in multimode fibers by employing wavefront shaping techniques to tackle quantum communication complexity problems.