Les photons intriqués dans les bons tuyaux des télécommunications optiques

Le Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (UNS/CNRS) a mis au point des réseaux quantiques, une méthode cryptographique de clés privées permettant un échange sécurisé de données à distance compatibles avec les standards des télécommunication actuels. Ces travaux de recherche ont fait l'objet d'une publication dans la revue Laser and Photonics Reviews au mois de mai 2016.
Les photons intriqués dans les bons tuyaux des télécommunications optiques

De gauche à droite et de haut en bas : S. Tanzilli, F. Kaiser, T Lunghi, D. Aktas, L. Labonté, B. Fedrici

Au cours des dernières décennies, les modes de communication et de traitement de l'information classique ont révolutionné le fonctionnement de notre société. L’information est codée sous forme de bits, qui peuvent prendre les valeurs “0” et “1” exclusivement, et les progrès technologiques ont été tels que les cinq continents sont aujourd’hui reliés par des câbles optiques sous-marins qui véhiculent l'information quasiment sans perte, à très haut débit (40 Gbits/s), et sur des distances quasi-illimitées grâce à des modules d’amplification.

Pour protéger les informations échangées, les informaticiens ont mis au point des méthodes cryptographiques, dites à clés publiques, utilisées à chaque instant dans de nombreux domaines de la vie privée, de la vie publique, ainsi que dans le monde industriel. Cependant, avec ces techniques classiques, le chiffrement des messages ne peut pas rester comme inviolable pour l'éternité. En effet, la puissance des ordinateurs augmente sans cesse, et il existe une incertitude forte liée à la possible découverte d’un algorithme de factorisation des grands nombres plus efficace que celui dont nous disposons aujourd’hui. Il existe par conséquent une limitation forte aux réseaux classiques dès lors qu’il s’agit de communiquer de l’information ultra-sécurisée. C’est là que la physique quantique intervient. Elle seule est susceptible d’apporter des solutions à l’établissement, à distance, de clés de chiffrement privées et parfaitement sécurisées.

Comment fonctionne cette nouvelle cryptographie ?

La stratégie de communication quantique diffère fondamentalement de celle qui est utilisée classiquement. Elle consiste à établir et à exploiter des clés privées – tenues secrètes – entre deux ou plusieurs partenaires distants. Ces clés sont ensuite utilisées comme des masques jetables dans des protocoles de chiffrement classiques pour le transfert des messages secrets. Chaque message à chiffre nécessite alors l’emploi d’une clé unique et de même longueur que le message. Le codage et la manipulation de bits d’information quantiques, ou qubits, sont à la base des protocoles de cryptographie quantique. Les qubits sont les analogues quantiques des 0 et des 1 classiques mentionnés ci-dessus, mais la richesse de ce type d’information réside dans le fait qu’ils peuvent être préparés et manipulés en tant que superpositions cohérentes de 0 et de 1. Par exemple, un photon peut être émis à deux instants ou à deux fréquences différent(e)s, voyager dans deux canaux de transmission “à la fois”, ou encore posséder une orientation de polarisation lumineuse simultanément verticale et horizontale.

En généralisant ces superpositions à deux ou plusieurs qubits, on construit ce que l’on appelle des états intriqués, tellement corrélés qu’ils doivent être considérés comme une entité unique, non séparable. Une fois générés, deux photons intriqués peuvent être séparés spatialement par de grandes distances (des dizaines voire des centaines de kilomètres), sans pour autant que l'intrication soit dégradée en principe. Ceci permet donc une distribution des ressources quantiques par fibres optiques afin d'établir des protocoles de cryptographie quantique entre partenaires distants. Que l’on utilise des qubits uniques ou des qubits intriqués, on comprend bien pourquoi les principes fondamentaux de la physique quantique permettent l'établissement de clés privées : le processus de la mesure en physique quantique est irréversible et celle-ci interdit à tout espion de répliquer, à l'identique, les qubits qui sont véhiculés sur une ligne de communication et qui servent à l'établissement des clés secrètes.

Ainsi, tout espion voulant acquérir de l'information sur ces clés sera inévitablement démasqué, car il ne peut pas opérer sans perturber les valeurs des bits qui composent la chaîne d’information. Récemment, la cryptographie quantique a atteint un degré de maturité lui permettant de sortir des laboratoires de recherche. En effet, grâce aux progrès faits dans le domaine des télécoms et de la détection des photons uniques, un grand nombre de contraintes expérimentales ont pu être contournées permettant ainsi d’envisager le déploiement pratique de réseaux quantiques de communication. L’idée est alors de répliquer les mêmes fonctions que les réseaux classiques des télécoms, à savoir générer, manipuler, router, stocker, et traiter l’information, tout en offrant une sécurisation absolue et inhérente des transferts de données.

Dans la perspective d’établir de nouveaux records en matière de débits des réseaux quantiques, il convient d’exploiter l’ensemble des capacités offertes par les réseaux standards, notamment en ce qui concerne les fonctions de multiplexage. En effet, le débit de la communication et le nombre d’utilisateurs ayant accès aux réseaux quantiques représentent des critères de performance de grande importance. Au même titre que ce qui se fait au sein des réseaux classiques, le multiplexage des qubits, que celui-ci soit temporel, spatial, ou spectral, paraît indispensable pour augmenter les débits des lignes quantiques et ainsi répondre aux enjeux de notre société moderne en matière de communication. L'idée consiste intuitivement à combler tous les espaces laissés vides au sein d'un canal de communication. Cela peut être réalisé en exploitant les composants standards des télécommunications optiques. Par exemple, dans le cas du multiplexage spectral, il s’agit de coder des qubits sur des photons possédant des longueurs d'onde différentes, mais correspondant toutes à des canaux adjacents et standardisés des télécommunications. Ainsi, il devient possible, en début de ligne, de les router vers le même canal de distribution, puis, en bout de ligne, de les distribuer vers autant d’utilisateurs qu’il existe de longueurs d’onde utilisées.

Dans ce cadre, les physiciens du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC, UMR 7336 de l’UNS et du CNRS) ont réalisé un lien quantique de communication, établi entre deux utilisateurs, Alice et Bob, séparés un cable optique de 150 km. La source délivre des paires de photons intriqués couvrant toute la bande des télécommunication optiques standards. Comme l’indique le code couleur, les étages de démultiplexage permettent à Alice et Bob d’établir des clés secrètes de cryptographie dans chaque paire de canaux spectraux complémentaires. Les utilisateurs de la ligne ont été connectés grâce à une source de paires de photons intriqués dont le spectre couvre la quasi-totalité de la bande des télécommunications la plus utilisés dans les réseaux classiques. L’astuce des physiciens a tout d’abord consisté à couper le spectre initial en deux, et de donner les photons de courtes longueurs d’onde à Alice, et les photons de longueurs d’onde complémentaires (plus hautes) à Bob. Ensuite, chaque utilisateur a été pourvu d’un routeur spectral standard, capable de démultiplexer les photons reçus : ainsi, lorsqu’Alice reçoit un photon appartenant à un canal spectral donné, Bob reçoit le photon jumeau à une longueur d’onde exactement complémentaire de l’autre côté du spectre. Les chercheurs ont alors montré la préservation de l’intrication, après propagation sur 150 km, au sein de 8 paires de canaux spectraux complémentaires, tout en exploitant de façon optimale la capacité du lien optique considéré. Grâce à cette stratégie, ils ont enfin établi un lien simple de cryptographie quantique montrant par conséquent un débit augmenté par un facteur 8, ce qui correspond aujourd’hui à l’état de l’art du domaine sur une telle distance. Ce travail est publié dans le volume du mois de mai 2016 de la revue Laser and Photonics Reviews. Ce travail fait également l’objet d’une vue d’artiste en 3D publiée en première de couverture de cette revue.

 

Interview de Laurent Labonté, maître de conférence au LPMC ayant participé aux travaux de recherche

Interview de laurent Labonté from Université Nice Sophia Antipoli on Vimeo.