EP1348278A1 - Procede et systeme de transmission par cryptographie quantique - Google Patents

Procede et systeme de transmission par cryptographie quantique

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Publication number
EP1348278A1
EP1348278A1 EP01994002A EP01994002A EP1348278A1 EP 1348278 A1 EP1348278 A1 EP 1348278A1 EP 01994002 A EP01994002 A EP 01994002A EP 01994002 A EP01994002 A EP 01994002A EP 1348278 A1 EP1348278 A1 EP 1348278A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
time
particle
parameter
value
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01994002A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thierry Thales Intellectual Prop. DEBUISSCHERT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1348278A1 publication Critical patent/EP1348278A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography

Definitions

  • the invention relates to the field of cryptography.
  • a message can only be read by its recipient.
  • a key is used to encrypt the message. Only the owner of the key is able to read the message on reception.
  • the encryption key must therefore be transmitted by the sender to the recipient of the encrypted message. This transmission is carried out such that only the recipient of the encrypted message receives this encryption key. Interception by a third party of the encryption key is detected by the sender or the recipient. Thus, the encryption key detected as intercepted is not used for encryption of the message.
  • An example of the principle of transmitting encryption keys is that of quantum cryptography. It consists of using physical properties to ensure the integrity of a received encryption key.
  • the encryption key is made up of a sequence of bits. For example, each bit is associated with a time offset of a pulse on a light flux. Then, the light flux coded in the time domain is attenuated.
  • the transmitter can encode the encryption key in two non-orthogonal states.
  • the pulses sent by Alice have a time width ⁇ T and an amplitude such that the probability of detecting a photon during the whole duration of the pulse is equal to one (state at one photon) or sufficiently low for the probability to detect two photons or negligible compared to the probability of detecting one (coherent state).
  • the detection states are chosen from a base of two states. These two detection states are orthogonal respectively to each of the states of the base used by the transmitter. During transmission, the choice of emission and detection states is made independently of each other.
  • the probability of detection is zero.
  • the measurement result is certain, there is no ambiguity. If they are not orthogonal, there are two possible measurement results because the probability of detecting the photon is
  • Photon detection is a one-time process that can occur at any time during the pulse.
  • the spy can, for example, measure all the impulses sent by Alice. It has a quantum efficiency detector equal to one. For each pulse emitted by Alice, it detects the corresponding photon. If it is capable of instantly retransmitting a pulse to a photon to the Bob receiver but with a time width ⁇ T 'shorter than that sent by Alice, it can also read the information without being unmasked as shown in Figure 1.
  • the spy can measure the information sent by the transmitter (Alice) and send an equivalent signal back to the receiver (Bob) without it can be detected. Eve then has a copy of the information without it being exposed.
  • This type of espionage is difficult to carry out in practice, but its possibility of principle cannot be excluded.
  • the present invention proposes to guard against this type of espionage by using a minimal state.
  • This minimum state is a state where the product of the uncertainty on the coding parameter and its conjugate parameter is equal to its minimum value.
  • the invention provides a method for decoding coded digital data such that two conjugate parameters x and y of the coded particle flow are in a minimal state, knowing that the probability of detecting two particles per period is negligible, characterized in that it comprises minus:
  • a filtering step making it possible to separate the particles received verifying the relationship ⁇ xi. ⁇ yi> 1 but where ⁇ xi ⁇ ⁇ x or ⁇ yi ⁇ ⁇ y ( ⁇ x and ⁇ y fixed) of the particles characterized ⁇ x and ⁇ y, and
  • the decoding process is implemented by a coded digital data decoder such that two conjugate parameters x and y of the coded particle stream are in a minimal state, knowing that the probability of detecting two particles per period is negligible, characterized in that it includes at least:
  • a filter making it possible to separate the particles received verifying the relationship ⁇ xi. ⁇ y-i> 1 but where ⁇ xi ⁇ ⁇ x or ⁇ yi ⁇ ⁇ y ( ⁇ x and ⁇ y fixed) from the particles characterized ⁇ x and ⁇ y, and
  • the parameters verifying the minimum state chosen by way of example in the figures and the description are the time width ⁇ T of the pulse carrying the information and its conjugate: the spectral width ⁇ v of this pulse.
  • the pulses of temporal width ⁇ T are emitted by Alice. If Eve detects a photon, she can re-emit a pulse of shorter time width ⁇ T so that Bob cannot detect the interception. Indeed, the amplitudes of the pulses emitted by Alice and Eve are such that the probability of detecting a photon is the same for the two types of pulses. Depending on the moment of detection, the pulse sent by Eve carries information or not.
  • the pulses are also defined in the frequency space.
  • the impulses emitted by Alice are characterized by a temporal width ⁇ T and a spectral width ⁇ v whose product is always greater than a constant whose value is of the order of one: ⁇ T. ⁇ v> 1.
  • This relation is analogous to the relations d Heisenberg uncertainties which connect two conjugate parameters x and y: ⁇ x. ⁇ y> h. When this relation becomes an equality, we obtain a minimal state.
  • the uncertainty on one of the conjugate variables is directly the opposite of the uncertainty on the other conjugate variable.
  • These variables can, for example, be the position p z and the pulse z.
  • Figure 2 shows the block diagram of a transmission system implementing the invention.
  • the encoder 1 therefore delivers a stream of pulses in a minimal state carrying the information to be transmitted on the value of the offset of the pulses with respect to the initial instant of the period.
  • Such an encoder can include: • [ENCODER A] Or a source with 11 +3 coded pulses (for example, a laser generating a discontinuous laser beam with more or less offset pulses according to the coded data and verifying the minimum state relation, • [B coder] a controllable retarder 13 receiving a stream of particle pulses verifying the minimum state relationship and coming from a pulse source 1 1 +2 ,
  • the coder 1 comprises a source of particles with pulse 11 + 2 (laser with mode latching, for example) and a retarder 13 such that the coded pulses verify the minimum state relation.
  • the coded particle flow delivered by the encoder 1 is then attenuated by the attenuator 2 before being transmitted on the channel.
  • This channel is said to be quantum because the probability that two particles are emitted on the channel per period is negligible or the probability that a single particle is emitted on the channel per period is equal to 1.
  • the attenuator 2 proposed by FIG. 2 has a half-wave plate 21 followed by a polarizer 22 delivering a "key" beam on the quantum channel.
  • the polarizer can also deliver a second, more intense beam.
  • This annex "sync" beam can be used as a reference to synchronize the clocks of the transmitter and the receiver of the transmission system by quantum cryptography.
  • the receiver comprises at least one decoder 3 receiving the "key” beam. This decoder 3 is possibly synchronized with the transmitter thanks to the "sync" auxiliary beam.
  • a first variant of the decoder 3 proposed by FIG. 3 (a) can be used.
  • the photons of the received "key” quantum signal are filtered by a filter of spectral width ⁇ v.
  • the photons of spectral width ⁇ v are observed by the photon counter 31 'activated on the observation windows on which the value of the transmitted bit is certain (a window for the value bits "0" and a window for the value bits "1").
  • the photons reflected by the filter ⁇ v are also counted by a photon counter 31 ".
  • the comparator 32 checks whether the number N ⁇ f of reflected photons is greater than much greater than the numbers N ⁇ v of photons observed in the observation windows. If this is the case, the decoder 3 decides that the information transmitted has been intercepted by a third person. Otherwise, depending on whether the photon counter 31 ′ detects a photon in one or the other. Another of the observation windows, the decoder 3 decides that a bit of value "0" or "1" has been emitted.
  • the decoder 3 decides that there is non-reception, and cannot determine whether this non-reception is due to poor quality transmission or to interception by a third party.
  • Pulses close to the minimum state relation can be produced by, for example, 11 +2 mode latching lasers within an encoder 1.
  • the time shifts are produced outside the laser by means of a retarder 13.
  • the use of pulses produced by lasers with mode 11 +2 latching has important practical consequences.
  • the pulse durations are typically between 10ps and 100fs. These values are much lower than the response times of existing photon counters (31 ') (typically 1 ns). The distinction between a shifted pulse and an unshifted pulse is therefore not possible.
  • This function can be performed by an electrically controlled door (not shown) behind which the photon counter (31 ') is located. The possibility of making such a door very much depends on the response times obtained with the technology used, for example: 10 GHz with an electro-optical modulator.
  • the frequency filter can be achieved using, for example, an interference filter or a Fabry-Perot with adjustable spacing to choose the spectral bandwidth. If the pulses used are too small compared to the switching time of the door, an interferometer can be used between the transmitter and the receiver as shown in Figure 4.
  • An 11 +2 pulse source delivers the flow of particles in the form of a train of pulses of temporal width ⁇ T and of periodicity Tb.
  • the retarder 13 then comprises the separating element of the interferometer.
  • the attenuator can, for example, use the auxiliary stream as a synchronization signal "sync" from the transmitter to the receiver.
  • the decoder 3 then makes or not pass the pulse of the other arm of the interferometer in a delay line of identical duration ( ⁇ T / 2 for example).
  • the self-timer 13 and the decoder 3 have chosen the same delay (0 or ⁇ T / 2), then the probability of detecting a photon is 100% in one of the output channels (channel a) and zero in the other track (track b). If the self-timer 13 and the decoder 3 have chosen different delays, then the probability of detecting a photon is 50% in each channel.
  • the fact that the counter 31 'detects a particle in the path b, makes it possible to determine without fail what the delay chosen by the retarder 13.
  • the counter of particle 31 ′ is placed downstream of a bandpass filter for particles of spectral width ⁇ v or can, for example, be replaced by the device presented in FIG. 3 (b) if the pulses emitted are in a minimal state.
  • the coding / decoding systems and methods using the minimum state relation for quantum cryptography have been described above in the particular case of temporal coding.
  • the conjugate parameter is then the spectral width of the pulse carrying the information to be transmitted. It is thus possible to separate by simple filtering on the conjugate parameter the emitted particles not verifying the minimal state relation.
  • Filtering makes it possible to separate the particles received verifying the relationship ⁇ xi. ⁇ y-i> 1 but where ⁇ xi ⁇ ⁇ x or ⁇ y-i ⁇ ⁇ y ( ⁇ x and ⁇ y fixed by the coder and known a priori from the decoder) from the particles characterized ⁇ x and ⁇ y .

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Abstract

La cryptographie quantique utilise les principes de base de la mécanique quantique pour sécuriser la transmission d'une clé de cryptage. Elle n'empêche pas l'espionnage du canal de transmission. Mais si un espion intercepte le message, il y introduit inévitablement des erreurs. Ces erreurs sont utilisées par l'émetteur et le récepteur autorisé pour détecter l'espionnage du canal de façon certaine. Dans ce cas, la transmission n'est pas validée et l'espion ne dispose d'aucune information exploitable. La présente invention se propose d'apporter des éléments de codage supplémentaire permettant de détecter de manière plus systématique l'interception de la transmission. Elle comporte le codage de données numériques sur l'un des paramètres x d'un flux de particules destiné à la transmission tel que la probabilité d'émission de deux particules par période est négligeable avec le paramètre x et son paramètre conjugué dans un état minimal (Δx.Δy=1).

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE TRANSMISSION PAR CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE
L'invention concerne le domaine de la cryptographie.
Grâce à la cryptographie, un message ne peut être lu que par son destinataire. Une clé est utilisée pour crypter le message. Seul le possesseur de la clé est capable de lire le message en réception.
La clé de cryptage doit, donc, être transmise par l'émetteur au destinataire du message crypté. Cette transmission est effectuée tel que seul le destinataire du message crypté reçoit cette clé de cryptage. L'interception, par un tiers, de la clé de cryptage est détectée par l'émetteur ou le destinataire. Ainsi, la clé de cryptage détectée comme interceptée n'est pas utilisée pour le cryptage du message.
Un exemple de principe de transmission de clés de cryptage est celui de la cryptographie quantique. Il consiste à utiliser des propriétés physiques pour s'assurer de l'intégrité d'une clé de cryptage reçue.
La clé de cryptage est composé d'une séquence de bits. Par exemple, à chaque bit est associé un décalage temporel d'une impulsion sur un flux lumineux. Puis, le flux lumineux codé dans le domaine temporel est atténué.
La probabilité de détecter deux photons associés à un même bit est, alors, négligeable.
L'émetteur (Alice) peut coder la clé de cryptage sur deux états non orthogonaux. Les impulsions envoyées par Alice ont une largeur temporelle ΔT et une amplitude telle que la probabilité de détecter un photon pendant toute la durée de l'impulsion soit égale à un (état à un photon) ou suffisamment faible pour que la probabilité de détecter deux photons soit négligeable devant la probabilité d'en détecter un (état cohérent).
En réception, les états de détection sont choisis dans une base de deux états. Ces deux états de détection sont orthogonaux respectivement à chacun des états de la base utilisée par l'émetteur. Durant la transmission, le choix des états d'émission et de détection est fait indépendamment l'un de l'autre.
Si les états choisis par l'émetteur et le récepteur sont orthogonaux, la probabilité de détection est nulle. Le résultat de mesure est certain, il n'y a pas d'ambiguïté. Dans le cas où ils ne seraient pas orthogonaux, il y a deux résultats de mesure possibles car la probabilité de détecter le photon est de
0,5. Si le photon est détecté, il est certain que l'état de l'émetteur est à 45° de l'état du récepteur. Il n'y a pas d'ambiguïté. Quelle que soit la configuration, il y a toujours une possibilité de ne pas détecter le photon. Cette non-détection du photon rend ambiguë la déduction du choix de décalage de l'émetteur à partir de la connaissance de l'état du récepteur. C'est cette ambiguïté sur le décalage qui est utilisé dans la cryptographie quantique.
La détection du photon est un processus ponctuel pouvant se produire à n'importe quel moment de l'impulsion. L'espion (Eve) peut, par exemple, mesurer toutes les impulsions envoyées par Alice. Elle possède un détecteur d'efficacité quantique égale à un. Pour chaque impulsion émise par Alice, elle détecte le photon correspondant. Si elle est capable de réémettre instantanément vers le récepteur Bob une impulsion à un photon mais de largeur temporelle ΔT' plus courte que celle envoyée par Alice, elle peut aussi lire l'information sans être démasquée comme le montre la figure 1.
En effet, Bob reçoit, alors, des impulsions plus courtes, mais il ne peut pas s'en apercevoir. La probabilité de détecter un photon est la même que dans le cas où les impulsions n'auraient pas été interceptées. De plus, leur position temporelle est cohérente avec le codage imposée par Alice. La moitié des impulsions réémises par Eve conduisent à une information exploitable (non ambiguë) et l'autre moitié à des résultats ambigus. Lorsque Alice et Bob compareront les portions de clés, ils ne pourront pas détecter d'augmentation du taux d'erreur qui leur signalerait la présence d'un espion.
Donc, si les impulsions sont de durée quelconque, un tiers, l'espion (Eve), peut effectuer une mesure de l'information émise par l'émetteur (Alice) et renvoyer un signal équivalent vers le récepteur (Bob) sans qu'il puisse être détecté. Eve possède, alors, un copie de l'information sans qu'il puisse être démasqué. Ce type d'espionnage est difficile à réaliser en pratique, mais sa possibilité de principe ne peut être exclue.
La présente invention propose de se prémunir contre ce type d'espionnage en utilisant un état minimal. Cet état minimal est un état où le produit de l'incertitude sur le paramètre de codage et son paramètre conjugué est égal à sa valeur minimale.
L'invention a pour objet un procédé de codage de données numériques sur l'un des paramètres x d'un flux de particules destiné à la transmission tel que la probabilité d'émission de deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce que le paramètre x et son paramètre conjugué sont dans un état minimal (Δx.Δy=1).
L'invention propose un procédé de décodage de données numériques codées telles que deux paramètres conjugués x et y du flux de particules codé sont dans un état minimal sachant que probabilité de détecter deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
• une étape de filtrage permettant de séparer les particules reçues vérifiant la relation Δxi.Δyi > 1 mais où Δxi≠Δx ou Δyi≠ Δy (Δx et Δy fixés) des particules caractérisées Δx et Δy, et
• une étape de décodage proprement dite des particules vérifiant la relation d'état minimal.
Le procédé de décodage est mis en œuvre par un décodeur de données numériques codées telles que deux paramètres conjugués x et y du flux de particules codé sont dans un état minimal sachant que probabilité de détecter deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
• un filtre permettant de séparer les particules reçues vérifiant la relation Δxi.Δy-i > 1 mais où Δxi≠Δx ou Δyi≠ Δy (Δx et Δy fixés) des particules caractérisées Δx et Δy, et
• un décodeur élémentaire recevant uniquement les particules vérifiant la relation d'état minimal.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description, faite à titre d'exemple, et des figures s'y rapportant qui représentent :
- Figure 1 , la représentation des impulsions émises par Alice et Eve selon l'état de l'art,
- Figure 2, un schéma de principe du système de transmission mettant en œuvre l'invention,
- Figure 3(a), une première variante du décodeur selon l'invention,
- Figure 3(b), une deuxième variante du décodeur selon l'invention, - Figure 4, un système de transmission ayant une structure "interféromètre" selon l'invention.
Les paramètres vérifiant l'état minimal choisis à titre d'exemple dans les figures et la description sont la largeur temporelle ΔT de l'impulsion portant l'information et son conjugué : la largeur spectrale Δv de cette impulsion. Les principes et système peuvent être appliqué pour tout type de paramètre de codage x (largeur temporelle, largeur spectrale, polarisation, position, impulsion, taille du faisceau, divergence du faisceau...) et son paramètre y tel qu'ils vérifient la relation d'état minimal Δx.Δy=1.
Sur la figure 1, les impulsions de largeur temporelle ΔT sont émises par Alice. Si Eve détecte un photon, elle peut réémettre une impulsion de largeur temporelle ΔT plus courte afin que Bob ne puisse pas détecter l'interception. En effet, les amplitudes des impulsions émises par Alice et Eve sont telles que la probabilité de détecter un photon est la même pour les deux types d'impulsions. Selon l'Instant de détection, l'impulsion émise par Eve transporte ou non de l'information.
Pour se prémunir du type d'espionnage décrit ci-dessus et représenté sur la figure 1, les impulsions sont également définies dans l'espace des fréquences. Les impulsions émises par Alice sont caractérisée par une largeur temporelle ΔT et une largeur spectrale Δv dont le produit est toujours supérieur à une constante dont la valeur est de l'ordre de un : ΔT.Δv > 1. Cette relation est analogue aux relations d'incertitudes de Heisenberg qui relient deux paramètres conjugués x et y : Δx. Δy > h . Lorsque cette relation devient une égalité, on obtient un état minimal. L'incertitude sur l'une des variables conjuguées est directement l'inverse de l'incertitude sur l'autre variable conjuguée. Ces variables peuvent, par exemple, être la position pz et l'impulsion z. L'analogue dans l'espace temps- fréquence est appelé impulsion "Fourier Transform". Elle vérifie la relation ΔT.Δv=1.
La figure 2 montre le schéma de principe d'un système de transmission mettant en œuvre l'invention. Le codeur 1 délivre, donc, un flux d'impulsions dans un état minimal portant l'information à transmettre sur la valeur du décalage de l'impulsions par rapport à l'instant initial de la période. Un tel codeur peut comporter : • [CODEUR A] Soit une source à impulsions codées 11+3 (par exemple, un laser générant un faisceau laser discontinu à impulsions plus ou moins décalées suivant les données codées et vérifiant la relation d'état minimal, • [CODEUR B] Soit un retardateur 13 commandable recevant un flux d'impulsions de particules vérifiant la relation d'état minimal et provenant d'une source à impulsions 1 1+2,
• [CODEUR C (cas illustré par la figure 2)] Soit un découpeur d'impulsions codées 12+3 découpant des impulsions vérifiant la relation d'état minimal avec le décalage temporel adéquat suivant les données à coder à la cadence Tb dans un faisceau continu issu d'un laser 11 ,
• [CODEUR D] Soit un découpeur d'impulsions 12 découpant des impulsions vérifiant la relation d'état minimal à la cadence Tb dans un faisceau continu issu d'une source 11 puis un retardateur 13 commandable décalant plus ou moins les impulsions par rapport à l'instant initial de la période suivant les données à coder.
Dans l'exemple présenté sur la figure 2, le codeur 1 comporte une source de particules à impulsion 11+2 (laser à accrochage de mode, par exemple) et un retardateur 13 telles que les impulsions codées vérifient la relation d'état minimal. Le flux de particules codé délivré par le codeur 1 est ensuite atténué par l'atténuateur 2 avant d'être émis sur le canal. Ce canal est dit quantique car la probabilité que deux particules soient émises sur le canal par période est négligeable ou la probabilité qu'une seule particule soit émise sur le canal par période est égale à 1. L'atténuateur 2 proposé par la figure 2 comporte une lame demi-onde 21 suivi d'un polariseur 22 délivrant un faisceau "clé" sur le canal quantique. Le polariseur peut délivré, en outre, un deuxième faisceau plus intense. Ce faisceau annexe "sync" peut être utilisé comme référence pour synchroniser les horloges de l'émetteur et du récepteur du système de transmission par cryptographie quantique. Le récepteur comporte au moins un décodeur 3 recevant le faisceau "clé". Ce décodeur 3 est, éventuellement, synchronisé avec l'émetteur grâce au faisceau annexe "sync".
Si les impulsions émises ont une largeur temporelle ΔT et une largeur spectrale Δv qui vérifient la relation d'état minimal Δv.ΔT=1 , une première variante du décodeur 3 proposé par la figure 3(a) peut être utilisée. Les photons du signal quantique "clé" reçus sont filtrés par un filtre de largeur spectrale Δv. Les photons de largeur spectrale Δv sont observés par le compteur de photons 31 ' activé sur les fenêtres d'observation sur lesquelles la valeur du bit émis est certaine (une fenêtre pour les bits de valeur "0" et une fenêtre pour les bits de valeur "1 ").
Sur la figure 3(b), les photons réfléchis par le filtre Δv sont eux aussi comptés par un compteur de photons 31 ". Le comparateur 32 vérifie si le nombre NΔf de photons réfléchis est supérieur à fortement supérieur au nombres NΔv de photons observés dans les fenêtres d'observations. Si tel est le cas, le décodeur 3 décide que l'information transmise a été interceptée par une tierce personne. Sinon, suivant que le compteur de photons 31 ' détecte un photon dans l'une ou l'autre des fenêtres d'observations, le décodeur 3 décide qu'un bit de valeur "0" ou "1 " a été émis. Enfin, si le compteur de photons 31 ' ne détecte pas de photon dans l'une ou l'autre des fenêtres d'observations, le décodeur 3 décide qu'il y a non réception. Il ne peut pas déterminer si cette non réception est due à une transmission de mauvaise qualité ou à l'interception par une tierce personne.
Des impulsions proches de la relation d'état minimal peuvent être fabriquées par, par exemple, des lasers à accrochage de mode 11 +2 au sein d'un codeur 1. Les décalages temporels sont produits à l'extérieur du laser au moyen d'un retardateur 13. L'emploi d'impulsions produites par des lasers à accrochage de mode 11+2 a des conséquences pratiques importantes.
En effet, les durées d'impulsions sont typiquement situées entre 10ps et 100fs. Ces valeurs sont très inférieures aux temps de réponse des compteurs de photons (31 ') existants (typiquement 1 ns). La distinction entre une impulsion décalée et un impulsion non décalée n'est alors pas possible. Cette fonction, peut être effectuée par un porte (non représentée) commandée électriquement derrière laquelle est située le compteur de photons (31 '). La possibilité de réaliser une telle porte dépend beaucoup des temps de réponse obtenus avec la technologie employée, par exemple : 10GHz avec un modulateur électro-optique.
Les impulsions vérifiant la relation d'état minimale dans l'espace temps-fréquence permettent de se protéger du type d'espionnage décrit par la figure 1. En effet, Eve intercepte les impulsions envoyées par Alice et réémet des impulsions de largeur temporelle T' et de largeur spectrale Δv' qui doivent elles aussi vérifier la relation ΔT' Δv'=1 afin que la probabilité de détecter un photon reste la même. Si la largeur temporelle T est beaucoup plus petite que T, alors la largeur spectrale Δv' est nécessairement plus grande que Δv. Pour détecter la modification de la durée des impulsions émises par Eve, il suffit de placer un filtre spectral de largeur Δv devant le compteur de photons de Bob comme le montre la figure 3(b). La plupart des photons envoyés par Eve seront alors réfléchis. En plaçant, par exemple, un deuxième compteur de photons sur le trajet du faisceau réfléchi, le taux de comptage sur ce compteur augmentera brusquement lorsque Eve enverra des impulsions plus courtes que celles attendues par Bob. Le filtre en fréquence peut être réalisé au moyen, par exemple, d'un filtre interférentiel ou d'un Fabry-Pérot d'espacement réglable pour choisir la bande passante spectrale. Si les impulsions utilisées sont trop petite par rapport au temps de commutation de la porte, un interféromètre peut être utilisé entre l'émetteur et le récepteur comme le montre la figure 4. Un source à impulsions 11+2 délivre le flux de particules sous forme d'un train d'impulsions de largeur temporel ΔT et de périodicité Tb. Le retardateur 13 comporte, alors, l'élément séparateur de l'interféromètre. Le flux de particules est, ainsi, séparé en deux parties envoyées sur les deux bras de l'interféromètre. Dans l'un des bras, le retardateur 13 peut, par exemple, faire passer ou non l'impulsion dans une ligne à retard de durée ΔT/2 (cas t0=0, t1=T/2) suivant les données à coder. Les flux de particules sont atténués sur les deux bras par l'atténuateur 2 avant d'être émis comme signal "clé". L'atténuateur, peut, par exemple, utiliser le flux annexe comme signal de synchronisation "sync" de l'émetteur avec le récepteur. Le décodeur 3 fait, alors, passer ou non l'impulsion de l'autre bras de l'interféromètre dans une ligne à retard de durée identique (ΔT/2 par exemple). Si le retardateur 13 et le décodeur 3 ont choisi le même retard (0 ou ΔT/2), alors la probabilité de détecter un photon est de 100% dans l'une des voies de sortie (voie a) et nulle dans l'autre voie (voie b). Si le retardateur 13 et le décodeur 3 ont choisi des retards différents, alors la probabilité de détecter un photon est de 50% dans chaque voie. Le fait que le compteur 31 ' détecte une particule dans la voie b, permet de déterminer à coup sûr quel était le retard choisi par le retardateur 13. Le compteur de particule 31 ' est placé en aval d'un filtre passe-bande pour les particules de largeur spectrale Δv ou peut, par exemple, être remplacé par le dispositif présenté par la figure 3(b) si les impulsions émises sont dans un état minimal. Les systèmes et les procédés de codage/décodage utilisant la relation d'état minimale pour la cryptographie quantique ont été décrits ci- dessus dans le cas particule du codage temporel. Le paramètre conjugué est alors la largeur spectrale de l'impulsion portant l'information à transmettre. Il est ainsi possible de séparer par simple filtrage sur le paramètre conjugué les particules émises ne vérifiant pas la relation d'état minimal.
L'utilisation des paramètres de largeur temporelle, largeur spectrale n'est qu'un exemple de réalisation. De manière générale, il est possible d'utiliser tout types de paramètres x (largeur temporelle, largeur spectrale, polarisation, position, impulsion, taille du faisceau, divergence du faisceau...) pour porter l'information à transmettre. L'invention réside alors en ce que ce paramètre x et son paramètre conjugué y (respectivement : largeur spectrale, largeur temporelle, paramètre conjugué de la polarisation, impulsion, position, divergence du faisceau, taille du faisceau...) vérifie la relation d'état minimale Δx.Δy=1 à l'émission. A la réception, il est alors aisé de séparer les particules vérifiant la relation d'état minimale par filtrage selon le paramètre conjugué y. Le filtrage permet de séparer les particules reçues vérifiant la relation Δxi.Δy-i > 1 mais où Δxi≠Δx ou Δy-i≠ Δy (Δx et Δy fixés par le codeur et connus à priori du décodeur) des particules caractérisées Δx et Δy.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de codage de données numériques sur l'un des paramètres x d'un flux de particules destiné à la transmission tel que la probabilité d'émission de deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce que le paramètre x et son paramètre conjugué sont dans un état minimal (Δx.Δy=1 ).
2. Procédé de codage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :
• soit il comporte la transformation de la séquence de K bits de données numériques en un train de K impulsions de flux de particules de durée ΔT (ΔT = Δx ), de largeur spectrale Δv (Δv = Δy) vérifiant la relation d'état minimal ΔT.Δv=1 , de périodicité Tb prédéterminée sachant que chacune des K impulsions est décalée ou non temporellement telle que la klèmθ impulsion est décalée d'une durée tO, respectivement t1 , par rapport à l'instant initial de la période suivant la valeur "0", respectivement "1", du k'eme bit avec k entier tel que 0 < k < K et les décalages tO et t1 sont tels que 0 < t0,t1 < Tb - ΔT et 0 < lt1 -t0l < ΔT;
• soit le paramètre x correspond à la taille du faisceau de particules et son paramètre conjugué y à sa divergence, ou vice versa ; • soit le paramètre x correspond à la polarisation.
3. Codeur de données numériques sur l'un des paramètres x d'un flux de particules destiné à un émetteur de particules tel que la probabilité d'émission de deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce que le paramètre x et son paramètre conjugué sont dans un état minimal (Δx.Δy=1 ).
4. Codeur selon la revendication précédente caractérisé en ce que :
• soit il comporte au moins une source capable de générer des impulsions "Fourier Transform" de durée T, de largeur spectrale Δv et qui vérifient la relation d'état minimal ΔT.Δv=1 (T = Δx, Δv = Δy) dans la base temps-fréquence et/ou en ce qu'il permet de transformer la séquence des K bits de données numériques en un train de K impulsions de durée T, de largeur spectrale Δv, de périodicité Tb prédéterminée sachant que chacune des K impulsions est décalée ou non temporellement telle que la k'eme impulsion est décalée d'une durée tO, respectivement t1 , par rapport à l'instant initial de la période suivant la valeur "0", respectivement "1 ", du k'Θmθ bit avec k entier tel que 0 < k < K et les décalages tO et t1 sont tels que 0 < t0,t1 < Tb - ΔT et 0 < lt1-t0l < ΔT; • soit le paramètre x correspond à la taille du flux de particules et son paramètre conjugué y à sa divergence, ou vice versa ;
• soit le paramètre x correspond à la polarisation.
5. Emetteur de données numériques comportant au moins un codeur de données numériques selon l'une des revendications 3 ou 4 en aval d'un atténuateur permettant de réduire le nombre de particules émis par période tel que la probabilité que deux particules soit émis par période Tb est négligeable.
6. Procédé de décodage de données numériques codées telles que deux paramètres conjugués x et y du flux de particules codé sont dans un état minimal sachant que probabilité de détecter deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
• une étape de filtrage permettant de séparer les particules reçues vérifiant la relation Δx-i.Δyi ≥ 1 mais où Δxi≠Δx ou Δyi≠ Δy (Δx et Δy fixés) des particules caractérisées Δx et Δy, et • une étape de décodage proprement dite des particules vérifiant la relation d'état minimal.
7. Procédé de décodage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :
• soit les deux paramètres Δx et Δy sont la largeur temporelle ΔT de l'impulsion décalée ou non suivant la valeur du bits à coder et sa largeur spectrale Δv , sachant Δt=ΔT-lt1-t0l, le décodage comporte alors :
- l'étape de filtrage qui permet de séparer les particules de largeur spectrale Δv des autres particules, et - l'étape de décodage proprement dite qui comporte :
> l'observation du flux de particules reçu sur une ou deux fenêtres temporelles pour chacune des périodes de durée
Tb de réception d'un bit,
• si tO < t1 , la première fenêtre temporelle d'observation débute à l'instant tO (inclus) et se termine à l'instant t1 (exclus), la deuxième fenêtre d'observation débute, le cas échéant, à l'instant t1+Δt (exclus) et se termine à l'instant t1+T (inclus) ou vice versa,
• si t1 < tO, la première fenêtre temporelle d'observation débute à l'instant t1 (inclus) et se termine à l'instant tO
(exclus), la deuxième fenêtre d'observation débute, le cas échéant, à l'instant tO+Δt (exclus) et se termine à l'instant tO+T (inclus) ou vice versa, > la détection de particules dans la ou les fenêtres d'observation temporelles délivrant :
• un bit de valeur "0" : π si tO < t1 , lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à tO de la période k, ° si t1 < tO, lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à tO + Δt de la période k,
• un bit de valeur "1 " :
° si t1 < tO, lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à t1 de la période k, π si tO < t1 , lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à t1 + Δt de la période k,
• un signal indiquant une ambiguïté sur la valeur du bit si aucune particule n'a été détecté dans la première et, le cas échéant, dans la deuxième fenêtre d'observation,
- et/ou le comptage du nombre NΔv de particules reçues de largeur spectrale égale à Δv, le comptage du nombre NΔf de particules reçues de largeur spectrales Δf différentes (Δf≠Δv) et une comparaison de ces deux nombres NΔv et NΔf tel que si NΔv «
NΔf, l'interception des particules par un tiers est signalée ;
• soit les deux paramètres Δx et Δy sont la taille du flux et sa divergence, l'étape de filtrage permet alors de séparer les particules dont la divergence ne vérifie pas la valeur attendue des particules dont la divergence vérifie cette valeur ;
• soit les deux paramètres Δx et Δy sont la polarisation du flux lumineux et son paramètre conjugué Δy, l'étape de filtrage permet alors de séparer les photons dont le paramètre conjugué Δy ne vérifie pas la valeur attendue des photons dont le paramètre conjugué Δy la vérifie.
8. Décodeur de données numériques codées telles que deux paramètres conjugués x et y du flux de particules codé sont dans un état minimal sachant que probabilité de détecter deux particules par période est négligeable, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : • un filtre permettant de séparer les particules reçues vérifiant la relation Δxi.Δyi > 1 mais où Δxi≠Δx ou Δyi≠ Δy (Δx et Δy fixés) des particules caractérisées Δx et Δy, et • un décodeur élémentaire recevant uniquement les particules vérifiant la relation d'état minimal.
9. Décodeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :
• soit les deux paramètres Δx et Δy sont la largeur temporelle ΔT de l'impulsion décalée ou non suivant la valeur du bits à coder et sa largeur spectrale Δv, sachant Δt=ΔT-lt1 -t0l, le décodeur comporte alors :
- le filtre qui est passant pour les particules des impulsions de largeur spectrale Δv,
- au moins un premier compteur de particules : > qui est activé sur une ou deux fenêtres d'observation temporelles de la période de durée Tb de réception d'un bit :
• si tO < t1 , la première fenêtre temporelle d'observation débute à l'instant tO (inclus) et se termine à l'instant t1 (exclus), la deuxième fenêtre d'observation débute à l'instant t1 +Δt (exclus) et se termine à l'instant t1 +T
(inclus),
• première fenêtre temporelle d'observation débute à l'instant t1 (inclus) et se termine à l'instant tO (exclus), la deuxième fenêtre d'observation débute à l'instant tO+Δt (exclus) et se termine à l'instant tO+T (inclus),
> qui permet de détecter la présence ou non de particules dans la ou les fenêtres d'observation temporelles et de délivrer au moins : " un bit de valeur "0" : π si tO < t1 , lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à tO de la période k, a si t1 < tO, lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à tO + Δt de la période k, • un bit de valeur "1 " :
D si t1 < tO, lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à t1 de la période k, α si tO < t1 , lorsqu'une particule est détectée dans la fenêtre débutant à t1 + Δt de la période k, - un signal indiquant une ambiguïté sur la valeur du bit si aucune particule n'a été détecté dans la première et, le cas échéant, dans la deuxième fenêtre d'observation. - et/ou le premier compteur (31') de particules délivrant le nombre NΔv de particules qu'il détecte et le décodeur comporte, en outre, au moins :
> un deuxième compteur (31 ") délivrant le nombre NΔf de particules reçues par le décodeur (3) et de largeurs spectrales Δf différentes de Δf≠Δv, et
> un comparateur (32) de ces deux nombres NΔv et NΔf tel que si NΔv « NΔf , il délivre un signal prédéterminé indiquant soit l'ambiguïté sur la valeur du bit, soit l'interception des particules par un tiers ;
• soit les deux paramètres Δx et Δy sont la taille du flux et sa divergence, l'étape de filtrage permet alors de séparer les particules dont la divergence ne vérifie pas la valeur attendue des particules dont la divergence vérifie cette valeur ;
• soit les deux paramètres Δx et Δy sont la polarisation du flux lumineux et son paramètre conjugué Δy, l'étape de filtrage permet alors de séparer les photons dont le paramètre conjugué Δy ne vérifie pas la valeur attendue des photons dont le paramètre conjugué Δy la vérifie.
10. Utilisation de l'émetteur de la revendication 5 pour émettre une clé de cryptage par cryptographie quantique vers un récepteur synchrone avec l'émetteur grâce au faisceau annexe émis par l'émetteur et comportant un décodeur (3) selon l'une des revendications 8 ou 9.
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