Quelques problèmes d'ordre technique

Après avoir présenté la décohérence comme étant l'entrave majeure qui freine l'évolution et l'épanouissement de la communication quantique. Toutefois, rien n'empêche d'expliciter d'autres contraintes ou limitations, moins intrinsèques, mais plus liées à la relative jeunesse du domaine. Ainsi, nous allons discuter autour des problèmes suivants :

1. Produire un photon unique ou sources à photon unique : [78, 79, 80] En eet, comme son nom l'indique une source de photon unique est un dispositif qui produit après excitation une émission spontanée d'un unique photon grâce à des propriétés optiques et matérielles remarquables. En fait, l'excitation en question est souvent de nature optique. Ainsi, c'est avec une grande dynamique que s'active les recherches dans ce domaine an de mettre en ÷uvre une telle source capable d'être intégrée facilement dans une chaine de communication quantique.

D'autant plus, les photons émis doivent avoir des propriétés lumineuses particulières telles qu'une direction d'émission bien spécique, une polarisation rectiligne ou circulaire, mais également un taux réduit d'émission de plus d'un photon par pulsion. Ce dernier paramètre représente en fait la grande problématique. Considérant la lumière comme un ux de photons, on pourrait laisser croire que pour obtenir un photon unique, il ne faut qu'atténuer susamment une impulsion de lumière classique. Logiquement cela semble correcte, néanmoins il est loin d'être réel.

Pour se rendre compte, il faut revoir qu'une impulsion laser est gouvernée par une statistique poissonnienne. Par conséquent, si on atténue une impulsion laser de façon à avoir un photon en moyenne dans chaque impulsion. Alors, la probabilité d'obtenir un signal sur chacun des photodétecteurs simultanément (c'est-à-dire d'obtenir deux photons) est égale à la moitié de la probabilité d'en avoir un seul. On dit alors qu'on arrive à avoir un photon "en moyenne" et n'en pas un photon "unique".

moyen très inférieur à un. Alors, l'impulsion contiendra rarement un photon et encore plus rarement deux photons. Pire encore, ceci n'est pas non plus une impulsion à un photon unique, puisque cette fois-ci nous allons produire des impulsions vides (avec zéro photon). De plus, la probabilité d'avoir deux photons ne sera jamais nulle. On constate que les défauts cités ci-dessus vont certainement aecter les performances des systèmes quantiques. Ainsi, les impulsions "vides" vont entrainer une baisse du débit de com- munication par contre les impulsions "doubles" vont impacter la sécurité de la transmission. 2. Générateur aléatoire des états quantiques [81] : Un générateur aléatoire des états quantiques est un dispositif capable de produire une séquence des états quantiques imprédictible et qu'on ne peut pas extraire des propriétés déterministes. En fait, la preuve de sécurité repose essentiellement sur ce caractère aléatoire qui doit y exister.

En eet, c'est la chaine des états quantiques, que va produire les correspondants, est facile à deviner par un attaquant, alors il lui est de même pour la mesurer. Ainsi, l'importance de l'aléatoire dans le processus de génération est primordiale et s'installe au premier rang avant même toute analyse de sécurité. On dit alors qu'il s'agit ici d'une condition primitive et contraignante.

Par conséquent, quoique caractériser l'aléatoire est dicile. Toutefois, on va l'introduire comme étant un générateur des états aléatoires Xide sorte qu'aucun algorithme A ne serait capable de deviner Xn à partir de {Xi≤n−1}. Certains phénomènes sont intrinsèquement aléatoires et peuvent être utilisés pour produire les suites des états aléatoires. Mais, le problème c'est que la plupart des phénomènes ne sont souvent aléatoires qu'en apparence et sourent du phénomène de "biais". De ce fait, un tel problème joue toujours à l'encontre des avancées dans le domaine de la communication quantique.

3. Manipuler les particules et les états quantiques à l'échelle microscopique : En entend par manipulation des états quantiques : la production, le contrôle et l'utilisation d'états quantiques de la lumière, et ce le long du processus de communication [82]. Souvent, on s'habitue à la production et l'usage des états quantiques via l'amélioration des mécanismes qu'on commence à maitriser. Toutefois, le maniement et le stockage des états quantiques, ainsi que la relecture et l'extraction de cette information à la demande, demeure toujours un énorme dé à surmonter.

Le besoin en mémoire quantique capable de stocker l'état de centaines de qubits intriqués sur des temps très longs est une course contre le temps de décohérence qui peut atteindre quelques fractions de seconde [83, 84, 85, 86, 87]. Malheureusement, la durée maximale d'un tel traitement quantique est limitée par le temps au bout duquel les qubits perdent leur cohérence quantique [88,89]. D'autant plus, toutes autres manipulations ne sont pas autorisées par les principes de la mécanique quantique.

Dans cette optique, on considère une action de mesure qu'elle soit lue ou non comme une transformation destructrice et qui engendre une fuite de l'information. Voir même, elle va provoquer un changement dans l'état du système. Donc, Puisque toute mesure détruit l'état quantique, la transmission doit se faire à travers une bre optique "opaque" et aussi doit être hermétique. Cela revient à dire sans aucun contact ou interaction avec l'extérieur. Ce que nous allons retenir, c'est que ces conditions sont très contraignantes et diciles à

respecter en pratique.

Ainsi, les pertes de la bre de transmission ne peuvent donc pas être compensées ni estimées. Ceci induit une distance limitée de transmission, au delà de laquelle un tel dispositif de communication devient inutile. Actuellement, cette distance maximale est typiquement comprise entre "20" et "200" kms (elle peut atteindre même à 300kms), en fonction des protocoles et des conditions des laboratoires de test [90,91].

4. Canal quantique, décohérence et bruit de fond : Le développement de la crypto- graphie quantique au cours des dernières décennies a donné de l'intérêt pour les études des limites fondamentales de la transmission d'information via un canal quantique. Donc, si certains canaux sont assez bien caractérisés de point de vue quantication des pertes d'information induites. Toutefois, les minimiser ou à défaut les maitriser n'est possible que d'une manière conjecturée.

De ce fait, le bruit injecté dans le canal lors de l'échange de l'information impacte négativement sa capacité de transmettre et de recevoir [92]. On rappelle que le mécanisme de décohérence est sans doute l'un des aspects les plus intrigants de la physique quantique. Du fait qu'il est directement lié à la diculté à envisager une superposition "classique" d'états quantique et de la maintenir autant qu'on souhaite.

C'est en fait le vrais talon d'achille de la cryptographie quantique dont elle soure énor- mément et qui bloque son évolution. Néanmoins, la communauté scientique s'activent pour mettre en ÷uvre des états quantiques capables de résister aux mieux à ces eets indésirables. Ces eets se manifestent, premièrement, dans l'absorption au niveau de la bre, qui dépend de la distance de transmission inuençant indirectement le taux d'erreur. Et deuxièmement, la décohérence partiale de l'état avec le canal de transmission qui, pour être évitée, nécessite des bres de très bonne qualité.

5. Imperfection des détecteurs qui impactent négativement les probabilités de détection : La cryptographie quantique permet la distribution de clés ainsi qu'elle assure leur condentialité absolue. Lors d'une communication par bres optiques, un des principes de la transmission consiste à atténuer la lumière jusqu'à son plus bas niveau possible qui est le photon. Ainsi, une mesure exacte des photons s'avère nécessaire, et demande l'utilisation des composantes très sensibles et qui permettent de compter les photons reçus.

Toutefois, dans un détecteur de photon, on ne peut généralement éviter la détection aléatoire de photons d'origine thermique ou autre phénomène comme les coups d'obscurité (dark count). On estime que le taux d'erreur a une proportionnalité linéaire au temps d'ouverture du détecteur et inversement proportionnel à l'intensité du signal transmis et donc directement proportionnel à l'absorption dans la bre.

Autrement, l'apparition d'une telle erreur, due à la détection fortuite de photons au niveau du récepteur, va augmenter exponentiellement avec la distance. On ajoute la perte en intensité occasionnée par l'atténuation du signal à la source et la perte en intensité due à la qualité des détecteurs disponibles à l'heure actuelle [93]. Tous ces paramètres vont diminuer considérablement les performances des protocoles de communication

quantique. Et plus particulièrement, ils limitent le débit maximal de la transmission qui est étroitement lié à la fréquence maximale de détection correcte des photons.

Ainsi, malgré qu'on assiste à une accélération notable dans le domaine de la création et du développement des "composantes électroniques", pourtant l'industrialisation de ce processus demeure moins prometteur à cause de cette problématique de détection.