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Physique quantique : Fondements
disposer d’une clé fiable. Enfin, il faudrait utiliser des photons uniques, et non
des paquets d’états cohérents produits par une lumière laser atténuée qui sont
moins sûrs, mais que l’on choisit souvent pour des raisons pratiques
7
.Lorsque
l’on utilise des fibres optiques, il est difficile de contrôler la polarisation sur
de longues distances, et un support physique différent, la phase des photons,
doit être utilisé pour mettre en œuvre le protocole BB84. Dans ce cas, on
peut établir une clé sur environ 100 kilomètres avec un taux de l’ordre de
quelques dizaines de kbits/seconde, et il existe aujourd’hui plusieurs versions
commercialisées du dispositif.
La principale limitation de la cryptographie quantique vient de l’atténuation du signal dans une fibre optique. Dans le cas d’une impulsion lumineuse
se propageant dans une fibre, l’intensité du signal diminue avec la distance
(typiquement d’un facteur 100 sur 100 km) si bien que l’on doit utiliser des
répéteurs pour retrouver la forme et l’intensité initiales du signal. Ceci n’est
pas possible pour des photons uniques, qui ne peuvent pas être clonés et donc
amplifiés. La distance maximale qui sépare les utilisateurs sur une ligne de
cryptage quantique est aujourd’hui limitée à une centaine de km. La raison
essentielle vient de l’emploi de fibres optiques et de détecteurs imparfaits. En
particulier, et c’est un facteur important, les détecteurs ont des probabilités
non négligeables de se déclencher alors qu’aucun photon n’est incident : c’est
ce que l’on appelle les coups sombres qui limitent de façon draconienne le
rapport signal/bruit de la ligne de communication. D’un point de vue technologique, la solution consiste soit à améliorer la transmission des fibres optiques,
soit à diminuer la probabilité de coups sombres (dark counts) des détecteurs.
On ne gagnera probablement plus grand chose sur les pertes des fibres optiques. En revanche, les détecteurs continuent à progresser mais cela relève de
la physique des semiconducteurs et les problèmes sont complexes. La physique
quantique apporte une solution là où on ne l’attendait pas, via l’utilisation du
protocole de téléportation quantique (§ 11.5.3), longtemps considéré comme
une curiosité de physique fondamentale. La téléportation quantique consiste à
transférer à distance par exemple un état de polarisation inconnu porté par un
photon sans transmettre le photon lui-même. Le succès d’une telle opération
s’accompagne d’un signal électrique qui permet de déclencher les détecteurs de
Bob placés en bout de ligne de communication, conditionnellement au succès
du protocole. Il est alors possible de réduire le bruit apparent dans les détecteurs de Bob et donc d’augmenter le rapport signal/bruit de la ligne, au prix
7. Impulsions atténuées et photons uniques. Une impulsion laser atténuée utilisée en
cryptographie quantique contient typiquement 0.1 photon en moyenne. On peut alors montrer qu’une impulsion non vide a une probabilité de 5 % de contenir deux photons (§ 10.2.1),
un fait qui peut être exploité par Ève, mais contre lequel on peut se prémunir en utilisant
un “leurre”. Dans le cas de transmission de photons uniques, le théorème de non clonage
quantique garantit qu’il est impossible à Ève de tromper Bob, même s’il lui est possible de
faire moins de 25 % d’erreurs sur les photons renvoyés à Bob en utilisant une technique
d’interception plus sophistiquée que l’interception-renvoi. Par exemple, une technique de
clonage partiel permet de ramener à 16 % la probabilité de renvoyer à Bob un photon dont
l’état de polarisation est incorrect.
Physique quantique : Fondements
disposer d’une clé fiable. Enfin, il faudrait utiliser des photons uniques, et non
des paquets d’états cohérents produits par une lumière laser atténuée qui sont
moins sûrs, mais que l’on choisit souvent pour des raisons pratiques
7
.Lorsque
l’on utilise des fibres optiques, il est difficile de contrôler la polarisation sur
de longues distances, et un support physique différent, la phase des photons,
doit être utilisé pour mettre en œuvre le protocole BB84. Dans ce cas, on
peut établir une clé sur environ 100 kilomètres avec un taux de l’ordre de
quelques dizaines de kbits/seconde, et il existe aujourd’hui plusieurs versions
commercialisées du dispositif.
La principale limitation de la cryptographie quantique vient de l’atténuation du signal dans une fibre optique. Dans le cas d’une impulsion lumineuse
se propageant dans une fibre, l’intensité du signal diminue avec la distance
(typiquement d’un facteur 100 sur 100 km) si bien que l’on doit utiliser des
répéteurs pour retrouver la forme et l’intensité initiales du signal. Ceci n’est
pas possible pour des photons uniques, qui ne peuvent pas être clonés et donc
amplifiés. La distance maximale qui sépare les utilisateurs sur une ligne de
cryptage quantique est aujourd’hui limitée à une centaine de km. La raison
essentielle vient de l’emploi de fibres optiques et de détecteurs imparfaits. En
particulier, et c’est un facteur important, les détecteurs ont des probabilités
non négligeables de se déclencher alors qu’aucun photon n’est incident : c’est
ce que l’on appelle les coups sombres qui limitent de façon draconienne le
rapport signal/bruit de la ligne de communication. D’un point de vue technologique, la solution consiste soit à améliorer la transmission des fibres optiques,
soit à diminuer la probabilité de coups sombres (dark counts) des détecteurs.
On ne gagnera probablement plus grand chose sur les pertes des fibres optiques. En revanche, les détecteurs continuent à progresser mais cela relève de
la physique des semiconducteurs et les problèmes sont complexes. La physique
quantique apporte une solution là où on ne l’attendait pas, via l’utilisation du
protocole de téléportation quantique (§ 11.5.3), longtemps considéré comme
une curiosité de physique fondamentale. La téléportation quantique consiste à
transférer à distance par exemple un état de polarisation inconnu porté par un
photon sans transmettre le photon lui-même. Le succès d’une telle opération
s’accompagne d’un signal électrique qui permet de déclencher les détecteurs de
Bob placés en bout de ligne de communication, conditionnellement au succès
du protocole. Il est alors possible de réduire le bruit apparent dans les détecteurs de Bob et donc d’augmenter le rapport signal/bruit de la ligne, au prix
7. Impulsions atténuées et photons uniques. Une impulsion laser atténuée utilisée en
cryptographie quantique contient typiquement 0.1 photon en moyenne. On peut alors montrer qu’une impulsion non vide a une probabilité de 5 % de contenir deux photons (§ 10.2.1),
un fait qui peut être exploité par Ève, mais contre lequel on peut se prémunir en utilisant
un “leurre”. Dans le cas de transmission de photons uniques, le théorème de non clonage
quantique garantit qu’il est impossible à Ève de tromper Bob, même s’il lui est possible de
faire moins de 25 % d’erreurs sur les photons renvoyés à Bob en utilisant une technique
d’interception plus sophistiquée que l’interception-renvoi. Par exemple, une technique de
clonage partiel permet de ramener à 16 % la probabilité de renvoyer à Bob un photon dont
l’état de polarisation est incorrect.