Distribution quantique des clés dans les communications optiques

Surmonter les défis techniques de la QKD

La distribution de clés quantiques (QKD) dans les communications quantiques est une méthode de communication sécurisée qui permet à deux parties de produire des clés secrètes partagées utilisées ensuite pour crypter et décrypter des messages. Basé sur les principes de la mécanique quantique, le processus de mesure d'un système quantique introduit des anomalies détectables, permettant la détection d'un espion.

À l'heure où le gouvernement, les banques, le secteur médical et d'autres secteurs réglementés travaillent à la transformation numérique, la QKD est un outil important pour améliorer la sécurité des communications sur les réseaux à fibre optique en renforçant le cryptage classique du trafic internet et d'autres canaux de communication. En effet, les efforts massifs de recherche et de développement déployés à l'échelle mondiale sur les ordinateurs quantiques et leur capacité théorique à casser les algorithmes de cryptage classique constituent une menace réelle pour nos données sensibles protégées par de tels algorithmes, qui peuvent être stockées au moment de la transmission et décryptées ultérieurement.

De nombreux leaders du marché mondial des communications investissent dans la recherche et le développement de systèmes de communications quantiques. Les premiers pionniers ont abordé la QKD avec un schéma de distribution de type "préparer et mesurer" en utilisant des protocoles tels que le BB84, ou ses variantes apparentées. Il s'agit de méthodes de communication sécurisée d'une clé privée d'une partie à une autre dans un canal quantique dédié, en exploitant le principe de superposition à l'aide de photons^1,2,3,4,5. Un autre système s'appuie sur l'intrication quantique et consiste à coder les clés dans des paires de photons intriqués répartis entre les deux parties (protocoles tels que E91 ou BBM92).^6,7.

La recherche sur le QKD et d'autres technologies quantiques s'intensifie rapidement dans le monde entier, et de nouvelles approches pour le QKD sont désormais envisagées. Ces nouveaux systèmes utilisent des protocoles tels que le QKD à double champ (TF-QKD ) avec des lasers à faible bruit verrouillés par des boucles de verrouillage de phase, ou des schémas de QKD à variables continues (CV-QKD) qui nécessitent généralement des lasers à faible bruit et à largeur de ligne étroite.^8,9.

QKD avec impulsions atténuées

Les systèmes basés sur des schémas QKD de préparation et de mesure sont les plus courants dans les applications pratiques d'aujourd'hui et, bien que des recherches récentes proposent encore des conceptions de systèmes uniques, ils partagent certaines bases communes.

Dans chaque schéma, Alice envoie à Bob des impulsions de photons polarisés atténués au niveau du quasi-photon unique, tandis qu'Eve, l'espionne, tente de les intercepter pour récupérer des informations sur la clé secrète. La figure 1 présente une description simplifiée du système de fibre optique nécessaire pour la QKD à l'aide d'impulsions atténuées.

Un laser monomode est modulé pour produire un train d'impulsions qui est ensuite multiplexé en polarisation. Les qubits (ou bits quantiques, l'unité de base de l'information quantique) de la clé secrète sont encodés dans la phase et l'état de polarisation des impulsions. Avant de quitter la boîte d'émission du côté d'Alice, le train d'impulsions modulé est fortement atténué pour le ramener au niveau d'un photon quasi unique, de sorte que si Eve tente de capter certaines des impulsions, celles-ci ne pourront pas être récupérées par Bob et ne seront donc pas utilisées pour construire la clé secrète. Du côté du récepteur (Bob), le démodulateur QKD traite le signal reçu qui est envoyé à deux détecteurs de photons uniques.

Les composants QKD améliorent les performances

La modulation et la démodulation QKD nécessitent généralement des interféromètres de Mach-Zehnder asymétriques, des modulateurs de phase, des séparateurs et combinateurs de polarisation et des générateurs de nombres aléatoires quantiques. En outre, des composants optiques tels que des compensateurs de dispersion et des filtres spectraux sont parfois nécessaires pour améliorer les performances du système. Il convient de noter que le protocole QKD proprement dit et les sous-systèmes optiques associés sont plus complexes que cette description simpliste(figure 1), utilisée pour illustrer le rôle et l'importance des composants optiques, tels que les compensateurs de dispersion, les filtres à bande large étroite et les lasers à faible bruit.

La réduction de l'excès de perte est d'une importance capitale sur le canal quantique et dans la boîte de réception du côté de Bob, car tout photon perdu doit, selon le protocole QKD, être considéré comme s'il avait été mesuré par Eve, ce qui réduit le taux de transmission des clés sécurisées utilisables.

Compensation de la dispersion chromatique

Au niveau quantique, la dispersion chromatique élargit la distribution statistique du temps d'arrivée des photons aux détecteurs. Si la dispersion chromatique est trop importante, les photons peuvent manquer la fenêtre temporelle de détection, une anomalie qui perturbera le transfert des clés secrètes de la même manière qu'une perte optique. Par conséquent, lorsque l'on augmente la longueur de la fibre pour le canal quantique, les effets néfastes de la perte et de la dispersion optiques s'additionnent. Un compensateur de dispersion chromatique est généralement nécessaire pour les distances supérieures à 50 km. Le compensateur de dispersion est généralement inséré avant l'atténuateur dans le boîtier de l'émetteur du côté d'Alice.

Filtres à large bande étroits

Outre les pertes et la dispersion, la diffusion non linéaire des photons provenant du canal régulier adjacent, par exemple lorsque le canal quantique se trouve dans la même fibre que le trafic de multiplexage dense par répartition en longueur d'onde (DWDM) à une puissance optique plus élevée, ainsi que d'autres sources de bruit telles que l'émission spontanée du laser, peuvent provoquer de fausses détections sur les détecteurs de photons uniques. Comme la réjection des démultiplexeurs DWDM typiques n'est souvent pas suffisante, des filtres à faible perte, à bande étroite et à réjection élevée peuvent être nécessaires juste avant les détecteurs de photons uniques ou ailleurs dans la configuration optique.

Solutions indie pour QKD

Au fil des ans, l indie a mis au point plusieurs produits et technologies qualifiés susceptibles de répondre aux défis actuels et futurs des fabricants de systèmes QKD :

Compensateurs de dispersion à faibles pertes

Le DCML d'indietraite la dispersion chromatique avec une couverture complète de la bande C afin d'améliorer les signaux QKD sur de longues distances. Avec une perte d'insertion inférieure à 3 dB pour des distances allant jusqu'à 200 km avec un seul module, ces compensateurs empêchent également les dégradations non linéaires intra-canal et inter-canal et ont un temps de latence négligeable.

Filtres passe-bande étroits

Les filtres optiques accordables et fixes sont des solutions de filtrage optique avancées qui réduisent l'effet néfaste de la diffusion non linéaire et d'autres sources de bruit optique dans le système QKD. Le QKD utilisant des impulsions atténuées nécessite généralement des filtres à bande passante avec une isolation spectrale élevée et une largeur de bande d'environ 2-20 GHz, déterminée par le taux de répétition des impulsions. En fonction de la largeur de bande requise et d'autres défis liés à l'application, un boîtier accordable en fréquence ou athermique pourrait être utilisé pour augmenter les performances du filtre et stabiliser sa longueur d'onde centrale. Ceci est particulièrement important lors du codage d'informations quantiques dans les bandes latérales de fréquence d'un état cohérent atténué.

Filtres passe-bande ultra-étroits

Avec une largeur de bande de 35 MHz à 500 MHz, les filtres TFN d'indiesont bien adaptés aux systèmes QKD utilisant des sources de photons enchevêtrés. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour optimiser la bande passante après le processus de conversion paramétrique spontanée (SPDC).

Lasers à faible bruit

Les composants de détection optique tels que la diode laser d' indieoffrent un contrôle de rétroaction précis, une performance à très faible bruit (largeur de ligne jusqu'à 20 kHz) et une stabilité supérieure de la longueur d'onde.

Les composants disponibles sur étagère permettent de réduire les coûts de démonstration et de faire progresser les systèmes jusqu'au point de commercialisation. indie cherche à s'associer avec les fabricants de systèmes pour faire évoluer la technologie ensemble. La famille de composants de communications quantiques d'indiesoutient l'avancement des technologies quantiques, de la recherche et du développement à la commercialisation complète.

Qu'il s'agisse de sources à photon unique, d'impulsions atténuées, de photons intriqués, de CV-QKD, de QKD à double champ ou d'une nouvelle approche, nos ingénieurs se feront un plaisir de discuter des défis que pose votre système.

Références

1. YUAN, Z. L., DIXON, A. R., DYNES, J. F., et al. Gigahertz quantum key distribution with InGaAs avalanche photodiodes. Applied Physics Letters, 2008, vol. 92, no 20, p. 201104 https://doi.org/10.1063/1.2931070 ︎
2. ERAERDS P., WALENTA N., LEGRÉ M., et al. Distribution quantique de clés et cryptage de données à 1 Gbps sur une seule fibre. New Journal of Physics, 2010, vol. 12, no 6, p. 063027. https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/6/063027 ︎
3. BOARON A., BOSO G., RUSCA D., et al. Distribution sécurisée de clés quantiques sur 421 km de fibre optique. Physical review letters, 2018, vol. 121, no 19, p. 190502. https://doi. org/10.1103/PhysRevLett.121.190502 ︎
4. MLEJNEK, Michal, KALITEEVSKIY, Nikolay A., et NOLAN, Daniel A. Modeling high quantum bit rate QKD systems over optical fiber. In : Quantum Technologies 2018. SPIE, 2018. p. 122-131. https://doi.org/10.1117/12.2306875 ︎
5. CHEN, Yu-Ao, ZHANG, Qiang, CHEN, Teng-Yun, et al. Un réseau intégré de communication quantique espace-sol sur 4 600 kilomètres. Nature, 2021, vol. 589, no 7841, p. 214-219. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8 ︎
6. TITTEL W., Brendel J., Zbinden H. et Gisin N. Quantum Cryptography Using Entangled Photons in Energy-Time Bell States. Physical Review Letters, 2000, vol. 84, pp. 4737 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4737 ︎
7. KAISER Florian, ISSAUTIER, Amandine, NGAH, Lutfi A., et al. A versatile source of polarization entangled photons for quantum network applications. Laser Physics Letters, 2013, vol. 10, no 4, p. 045202.CV-QKD https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/4/045202 ︎
8. PITTALUGA, Mirko, MINDER, Mariella, LUCAMARINI, Marco, et al.Communications quantiques de type répéteur à 600 km avec stabilisation à double bande. Nature Photonics, 2021, vol. 15, no 7, p. 530-535. https://doi.org/10.1038/s41566-021-00811-0 ︎
9. HUANG, Duan, HUANG, Peng, LIN, Dakai, et al. Distribution de clés quantiques continue-variable à grande vitesse sans envoyer d'oscillateur local. Optics letters, 2015, vol. 40, no 16, p. 3695-3698. https://doi.org/10.1364/OL.40.003695 ︎