La distribution de clés quantiques (QKD) est une primitive cryptographique qui permet à deux parties distantes, appelées par convention Alice et Bob, de générer une chaîne partagée de bits aléatoires qu'elles sont les seules à connaître. Contrairement aux algorithmes à clé publique dont la sécurité repose sur des hypothèses mathématiques non prouvées, la distribution de clés quantiques s'appuie sur les lois fondamentales de la mécanique quantique : toute tentative d'un espion (Eve) d'observer les états quantiques introduit inévitablement une perturbation mesurable, de sorte qu'Alice et Bob peuvent détecter et écarter les clés compromises.
Les programmes de transformation numérique dans l'administration, la finance, les soins de santé et les infrastructures critiques accélèrent le déploiement de la QKD en raison du risque "stocker maintenant, décrypter plus tard" posé par les ordinateurs quantiques à grande échelle. En introduisant des clés à clavier unique ou des clés AES-256 à rotation fréquente dans l'équipement existant, la QKD renforce le cryptage classique sans modifier les formats de trafic de l'utilisateur.
Les premiers systèmes commerciaux suivaient des protocoles de préparation et de mesure tels que BB84 et BB84 à l'état de leurre : Alice code chaque impulsion cohérente faible dans l'une des deux bases conjuguées et Bob mesure dans une base choisie au hasard, puis réconcilie ses choix sur un canal classique authentifié. Parallèlement, les approches basées sur l'enchevêtrement (E91, BBM92) distribuent des paires de photons enchevêtrés ; les événements de détection corrélés produisent la clé brute et peuvent, en principe, être étendus via la technologie des répéteurs quantiques.
Les technologies QKD modernes s'attaquent à l'extensibilité, à l'immunité aux canaux latéraux et à la portée. Parmi les réalisations récentes, on peut citer
QKD indépendant du dispositif de mesure (MDI-QKD) supprime tous les canaux secondaires du détecteur en interférant avec les photons d'Alice et de Bob au niveau d'un relais non fiable ; un essai de terrain multi-utilisateurs en 2025 utilisant des peignes de fréquences optiques intégrés a permis d'atteindre ~267 bps par paire d'utilisateurs avec une perte de canal de 30 dB.1.
Le Twin Field QKD (TF-QKD) dépasse la limite de perte de débit pour les liaisons point à point ; des expériences en laboratoire ont permis de dépasser 1 000 km de fibre standard avec des preuves de sécurité à clé finie.2.
Le QKD à variation continue (CV-QKD) code les informations dans les quadratures d'états cohérents et bénéficie de lasers à largeur de ligne étroite de qualité télécom.
La technologie QKD intégrée dans une puce tire parti de la photonique du silicium : des prototypes récents dépassent 1 Mbps de débit de clé sécurisé sur des fibres de 100 km à des fréquences d'horloge de 2,5 GHz, et des démonstrations de gigabits par seconde ont été rapportées en laboratoire.3.
Au-delà de la fibre, des projets de QKD par satellite en Europe, en Amérique du Nord et en Asie visent à assurer un échange de clés à l'échelle mondiale ; des bancs d'essai en orbite basse distribuent déjà des clés aux stations terrestres.
Pour favoriser l'interopérabilité et la certification, le groupe de spécification industrielle QKD de l'ETSI (ISG-QKD ) a publié une mise à jour des éléments de travail 2024-25 couvrant les preuves de sécurité du protocole, la caractérisation des composants, les API de livraison de clés basées sur REST et les architectures de réseau de référence. Ces spécifications guident les fournisseurs et les opérateurs vers des déploiements de niveau transporteur.4.
En résumé, le QKD est passé des démonstrations en laboratoire à une technologie industrielle qui complète la cryptographie post-quantique, avec des protocoles qui progressent rapidement (MDI, TF, CV), des implémentations photoniques intégrées, des extensions satellitaires et un écosystème de normalisation actif, le tout visant à fournir une confidentialité prouvée pour les décennies d'informatique quantique qui s'annoncent.
Facteur limitant les performances du QKD
Plusieurs facteurs limitent la vitesse, la portée et la fiabilité des liaisons de distribution de clés quantiques actuelles. Les limites de la physique fondamentale, les limites et les contraintes des détecteurs, les compromis au niveau du protocole, les frais généraux limités pour les clés et l'authentification, et la topologie du réseau posent tous leur propre série de limites. D'autres facteurs sont influencés par les composants optiques, sur lesquels les produits de l'indiepeuvent avoir un impact. Nous avons identifié trois domaines de ce type.
1) Limitations induites par les canaux
Atténuation de la fibre
À 1 550 nm, la fibre monomode standard présente une atténuation d'environ 0,18-0,22 dB/km, ce qui limite le budget de perte à environ 30 dB, soit l'équivalent de 150-170 km pour les liaisons BB84 conventionnelles. Le Twin Field QKD (TF-QKD) étend la portée à plus de 1 000 km en permettant à Alice et Bob d'envoyer des impulsions faibles en corrélation de phase à un nœud intermédiaire, mais ce gain est obtenu au prix de taux de clés brutes plus faibles et d'exigences strictes en matière de stabilité de phase.
Dispersion chromatique et de mode de polarisation
Sans compensation active de la dispersion, ces effets dégradent la visibilité interférométrique à des fréquences d'horloge de l'ordre du gigahertz, ce qui réduit directement le débit des clés sécurisées. La gamme de produits Fiber Bragg Grating (FBG) d'indie, présentée dans la section suivante, offre une compensation efficace de la dispersion chromatique.
Bruit optique de fond
La diffusion Raman des canaux DWDM copropagés, ainsi que la lumière du jour ambiante dans les liaisons en espace libre, introduisent un bruit excessif qui augmente le taux d'erreur des bits quantiques (QBER). L'utilisation d'une source laser à faible bruit de phase devient critique dans ces conditions, ce que le laser à très faible bruit LXM d'indiepermet de faire.
2) Imperfections à la source
| Imperfection | Impact sur les performances |
|---|---|
| Largeur de raie et bruit de phase des lasers | Les protocoles TF-QKD et CV-QKD nécessitent des largeurs de ligne inférieures au kilohertz et des boucles de verrouillage de phase serrées ; la dérive de phase résiduelle réduit la visibilité des interférences et donc le taux de clé sécurisée (SKR). La source laser à très faible bruit LXM d'Indiea une largeur de ligne de 0,08 kHz et convient parfaitement à ces applications. |
| Corrélations d'intensité de pouls à pouls | Les corrélations compromettent les hypothèses des preuves de sécurité à l'état décodé, obligeant à une amplification conservatrice de la confidentialité qui réduit considérablement le nombre de clés utilisables. |
| Rapport d'extinction du modulateur et dérive d'étalonnage | Une extinction ou une dérive inadéquate peut entraîner une fuite d'informations de base (défauts de préparation de l'état), ce qui augmente le QBER et érode les marges de sécurité. |
3) Considérations relatives à l'environnement et à l'intégration des systèmes
Perturbations thermiques et mécaniques
Les fluctuations de température et les vibrations induisent des changements dans la biréfringence des fibres et la longueur du chemin optique. Les unités déployées sur le terrain, souvent multiplexées avec un trafic WDM dense, doivent donc intégrer une stabilisation active ou un retour d'information en temps réel.
Perte d'insertion des composants
Les éléments passifs tels que les ventilateurs, les circuits planaires à ondes lumineuses (PLC) et les contrôleurs de polarisation ajoutent chacun quelques fractions de décibels. Les produits FBG d'indie, présentés dans la section suivante, compensent la dispersion avec beaucoup moins de perte que les produits à base de fibre à compensation de la dispersion.
Les solutions de l'indie pour le QKD
Au fil des ans, indie a développé plusieurs produits et technologies qualifiés qui répondent aux défis actuels et futurs des fabricants de systèmes QKD :
Compensateurs de dispersion à faible perte
Les DCML d'indie traitent la dispersion chromatique avec une couverture complète de la bande C pour 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, ce qui permet des liaisons QDK beaucoup plus longues.
Filtres de haute précision
Les filtres optiques accordables et statiques avancées 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 bande passante 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 peut être utilisé pour augmenter les performances du filtre et stabiliser sa longueur d'onde centrale. Ceci est particulièrement important lors de l'encodage d'informations quantiques dans les bandes latérales de fréquence d'un état cohérent atténué.
Filtres passe-bande ultra-étroits
Avec une bande passante de 50 MHz à 500 MHz, les filtres optiques accordables à bande ultra-étroite d'indiesont bien adaptés aux systèmes QKD utilisant des sources de photons enchevêtrés. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour optimiser la bande passante suivant le processus de conversion paramétrique spontanée vers le bas (SPDC).
Lasers à faible bruit
Le LXM-U, dernier né de la gamme de lasers à semi-conducteurs à largeur de ligne étroite d'indie, est exceptionnellement adapté aux technologies quantiques, en particulier à la distribution de clés quantiques (QKD) et à l'informatique quantique. Grâce à son bruit à très basse fréquence, 10 fois inférieur à celui des technologies concurrentes, et à sa largeur de ligne étroite, le laser offre la précision et la stabilité requises pour les applications quantiques les plus exigeantes. Sa stabilité à long terme maintient un fonctionnement verrouillé pendant des jours, ce qui permet une transmission fiable des clés cryptographiques.
Le laser LXM-U se distingue par la facilité avec laquelle il peut être emballé avec d'autres lasers et des puces photoniques intégrées (PIC). Cela nous permet de collaborer étroitement avec nos clients sur la conception, en utilisant leur technologie propriétaire avec notre laser pour fabriquer des moteurs de lumière avec des performances optimisées et un bon rapport coût-efficacité.
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.
Notes de fin d'ouvrage