Selon une nouvelle étude, des chercheurs ont mis au point un système de distribution de clés quantiques (QKD) basé sur la photonique intégrée qui peut transmettre des clés sécurisées à une vitesse sans précédent. Les expériences prouvent que cette méthode de communication très sécurisée est sur le point de trouver des applications concrètes dans le monde réel.
Le QKD est une méthode éprouvée pour fournir des clés secrètes garantissant une communication sécurisée entre des parties distantes. Utilisant les propriétés quantiques de la lumière pour générer des clés aléatoires sécurisées pour crypter et décrypter les données, sa sécurité repose sur les lois de la physique plutôt que sur la complexité computationnelle, comme c’est le cas des protocoles de communication actuels.
« Une des principales visées de la technologie QKD est la capacité de l’intégrer simplement dans un réseau de communication réel, » a déclaré Rebecka Sax, membre de l’équipe de recherche de l’Université de Genève en Suisse. « Un pas important et nécessaire vers cet objectif est l’utilisation de la photonique intégrée, qui permet la fabrication de systèmes optiques en utilisant la même technologie à semi-conducteurs utilisée pour fabriquer les puces d’ordinateur en silicium.«
Dans la revue Photonics Research du groupe de publication Optica, des chercheurs dirigés par Hugo Zbinden de l’Université de Genève décrivent leur nouveau système QKD, où tous les composants sont intégrés sur des puces, à l’exception du laser et des détecteurs. Cette méthode offre de nombreux avantages tels que la compacité, le faible coût et la facilité de production en masse.
« Bien que le QKD puisse garantir la sécurité pour des applications sensibles telles que la banque, la santé et la défense, ce n’est pas encore une technologie répandue, » a ajouté Sax. « Ce travail justifie la maturité de la technologie et aide à résoudre les problèmes techniques autour de sa mise en œuvre via des circuits intégrés optiques, ce qui permettrait son intégration dans les réseaux et dans d’autres applications. »
Dans un travail antérieur, les chercheurs ont mis au point un protocole QKD à trois états basé sur le temps qui a été réalisé avec des composants standard à base de fibres pour atteindre des vitesses de transmission QKD record.
« Notre objectif dans ce nouveau travail était d’implémenter le même protocole en utilisant la photonique intégrée, » a expliqué Sax. La compacité, la robustesse et la facilité de manipulation d’un système photonique intégré – avec moins de composants à vérifier lors de la mise en œuvre ou à dépanner dans un réseau – améliorent la position du QKD en tant que technologie de communication sécurisée.
Les systèmes QKD utilisent un émetteur pour envoyer les photons codés et un récepteur pour les détecter. Pour ce nouveau travail, les chercheurs de l’Université de Genève ont collaboré avec l’entreprise de photonique sur silicium Sicoya GmbH à Berlin, en Allemagne, et l’entreprise de cybersécurité quantique ID Quantique à Genève, pour développer un émetteur de photonique sur silicium combinant un circuit intégré photonique avec un diode laser externe.
Le récepteur QKD était en silice et se composait d’un circuit intégré photonique et de deux détecteurs de photons uniques externes. Le groupe de Roberto Osellame à l’Institut CNR pour la photonique et la nanotechnologie à Milan, en Italie, a utilisé l’usinage à laser femtoseconde pour fabriquer le récepteur.
« Pour l’émetteur, l’utilisation d’un laser externe avec un circuit intégré photonique et électronique a permis de produire et de coder avec précision des photons à une vitesse record de 2,5 GHz, » a souligné Sax. « Pour le récepteur, un circuit intégré photonique à faible perte et indépendant de la polarisation et un ensemble de détecteurs externes ont permis une détection passive et simple des photons transmis. La connexion de ces deux composants avec une fibre monomode standard a permis la production de clés secrètes à haute vitesse. »
Après avoir caractérisé en profondeur l’émetteur et le récepteur intégrés, les chercheurs l’ont utilisé pour effectuer un échange de clés secrètes en utilisant différentes distances de fibres simulées et avec une fibre monomode de 150 km et des photodiodes à avalanche de photons uniques, qui sont bien adaptées pour des mises en œuvre pratiques. Ils ont également réalisé des expériences avec des détecteurs de nanofils supraconducteurs à photon unique, ce qui a permis un taux d’erreur quantique de bit aussi bas que 0,8%. Le récepteur présentait non seulement une indépendance de polarisation, qui est compliquée à obtenir avec la photonique intégrée, mais aussi une perte extrêmement faible, d’environ 3 dB.
« En termes de production de taux de clés secrètes et de taux d’erreur quantique de bit, ces nouvelles expériences ont produit des résultats similaires à ceux des expériences précédentes réalisées avec des composants à base de fibres, » a noté Sax. « Cependant, le système QKD est beaucoup plus simple et plus pratique que les configurations expérimentales précédentes, démontrant ainsi la faisabilité d’utiliser ce protocole avec des circuits intégrés. »
Les chercheurs travaillent maintenant à loger les parties du système dans une simple armoire qui permettrait l’implémentation du QKD dans un système réseau.
Légende illustration : Des chercheurs ont mis au point un système de distribution de clés quantiques (QKD) basé sur la photonique du silicium qui peut transmettre des clés sécurisées à des vitesses sans précédent. L’émetteur QKD (photo) combine un circuit intégré photonique et électrique avec un laser à diode externe. Crédit / Rebecka Sax, University of Geneva
Papier : R. Sax, A. Boaron, G. Boso, S. Atzeni, A. Crespi, F. Grünenfelder, D. Rusca, A. Al-Saadi, D. Bronzi, S. Kupijai, H. Rhee, R. Osellame, H. Zbinden, « High-speed integrated QKD system, » Photonics Research, 11, 6, 1007-1014 (2023).
DOI : https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-11-6-1007&id=530973
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