Mémoire quantique optique efficace à base d'atomes froids servant de plateforme de stockage dans un protocole de cryptographie

Cold-atomic ensemble implemented as an efficient optical quantum memory layer in a cryptographic protocol

• Auteur / Autrice : Hadriel Mamann
• Direction : Julien Laurat, Eleni Diamanti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/05/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Schwob
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rosa Tualle-Brouri, Nicolas Fabre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hugues de Riedmatten, Virginia D'Auria

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage

Optique quantique

Cryptographie quantique

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Mémoires quantiques

Réseaux quantiques

Protocoles de cryptographie quantique

Monnaie quantique

Multiplexage spatial

Cold atoms

Quantum memories

Quantum networks

Quantum cryptographic protocols

Quantum money

Spatial multiplexing

Résumé

Une étape importante pour le développement des réseaux quantiques est de combiner les protocoles de cryptographie avec les mémoires quantiques afin d'établir des communications sécurisées où les informations peuvent être stockées et récupérées sur demande. Un cas d'utilisation possible de ces réseaux est d'effectuer des transactions authentifiées synchronisées par l'utilisation de mémoires. Cependant, les pertes et le bruit ajoutés par les dispositifs de stockage peuvent être exploités par des agents malveillants pour dissimuler leurs tentatives de fraude. Les contraintes pour opérer dans un régime sécurisé sont donc très exigeantes en termes d'efficacité et de fidélité de la mémoire. Cette thèse se concentre sur l'implémentation d'un ensemble d'atomes froids, utilisé en tant que mémoire quantique basée sur l'EIT, dans un protocole de cryptographie. Les ingrédients clés pour optimiser l'efficacité de stockage ainsi que la méthode employée pour atténuer les sources de décohérence sont détaillés. Ce travail représente la première démonstration du protocole cryptographique nommé ''quatum money'' incluant une étape intermédiaire de stockage, tirant parti de notre mémoire quantique hautement efficace et à faible bruit. L'étape suivante consisterait à multiplexer spatialement le nuage atomique afin de stocker toute la séquence de qubits aléatoires en une seule fois. Dans ce contexte, la capacité multimode de notre mémoire a été simulée numériquement en utilisant deux techniques différentes de multiplexage spatial.

Combining cryptographic protocols with quantum memories is an important step for quantum network development in order to establish secure communications where information can be stored and retrieved on demand. One possible use case of these networks is to perform authenticated transactions synchronized by the use of memories. However, the losses and noise added by storage devices can be exploited by dishonest agents to hide their cheating attempts. The constraints to operate in a secure regime are thus very demanding in terms of memory efficiency and fidelity. This thesis focuses on the implementation of a cold-atomic ensemble used as an EIT-based quantum memory in a cryptographic protocol. The key ingredients to optimize the storage-and-retrieval efficiency and the method employed to mitigate the decoherence sources are detailed. This work reports the first demonstration of the unforgeable quantum money including an intermediate quantum memory layer, taking advantage of our highly-efficient and low-noise storage platform. The next step would be to spatially multiplex the atomic cloud in order to store the whole sequence of random qubits at once. In this scenario, the multimode capacity of our memory has been numerically simulated using two different spatial multiplexing techniques.