Thèse Conception de Système Embarqué pour les Communications Quantiques Application à la Distribution de Clés Quantiques avec un Satellite H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Côte d'Azur École doctorale : STIC - Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Laboratoire de recherche : LEAT- Laboratoire d'Electronique, Antennes et télécommunications Direction de la thèse : Cecile BELLEUDY Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-03T23:59:59 Les futurs réseaux d'information quantiques constituent la clef de voûte pour connecter des ordinateurs ou des capteurs quantiques et assurer la sécurisation des communications. La distribution de clés quantiques (QKD) est à ce jour l'application la plus mature des technologies quantiques. Le déploiement de tels réseaux nécessite de relever de multiples défis : d'un point de vue fondamental, la définition de protocoles avancés tels que la téléportation ; d'un point de vue pratique, l'exploitation des fibres optiques et de liens en espace libre vers les satellites, mais aussi l'amélioration de la synchronisation temporelle et de la stabilisation interférométrique des sous-systèmes.
Dans ce contexte, les équipes des laboratoires LEAT et INPHYNI se sont associés pour étudier le développement d'un segment spatial depuis un satellite ou un drone.
Le protocole de cryptographie quantique est constitué de nombreuses tâches qui s'exécutent en parallèle ou séquentiellement. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et de concevoir un dispositif électronique qui assure le pilotage du protocole et le traitement des données en temps réel. Les contraintes innovantes que nous comptons explorer dans le cadre de la thèse est de mettre en valeur les aspects compact et embarqué, économe en énergie et intégrant un système d'optimisation actif du lien.
Au coeur du projet, le protocole de QKD BB84 [1] est du type prépare & mesure. Il s'agit dans un premier temps, du côté de l'émetteur (Alice), de piloter aléatoirement la génération de 4 états quantiques à partir d'une source photonique, de leur associer un temps d'émission et de stocker les choix dans une mémoire tampon pour la suite du protocole. Du côté du récepteur (Bob), il faut associer des temps d'arrivée et enregistrer le résultat des photons mesurés. La partie finale du protocole consiste à calculer les corrélations, chercher et corriger les erreurs et distiller une clef secrète qui sera stockée dans une mémoire non volatile.
Dans ce contexte, la tâche la plus importante concerne la datation temporelle des évènements mais également la synchronisation des systèmes de Alice et Bob. Ce genre de tâche est généralement accomplie par un Time-to-Digital Converter(TDC) en sortie des détecteurs de photon. Ces dispositifs existent notamment commercialement, en ASIC ou FPGA[2][3], et sont optimisés pour leur précision et le nombre de canaux disponibles mais sont en général de grande taille et peu économe en énergie. Le premier axe de recherche vise à concevoir un nouveau système TDC capable de réduire sa consommation énergétique et le nombre de ressource, sans diminution sensible de la précision et par extension du QBER, tout en intégrant des mécanismes d'auto-calibration en se basant sur des algorithmes d'apprentissage automatique. Les travaux de [4] montrent le bénéfice de ces algorithmes sur la précision, mais n'étudie pas la consommation. Des solutions originales seront étudiées pour permettre la synchronisation à distance avec une précision d'une centaine de picosecondes.
Un second axe de recherche concerne le traitement des données en temps réel et la recherche d'erreurs qui dans une certaine mesure permet d'asservir la stabilisation de la partie optique. Des méthodes issues de la littérature, seront dans un premier temps, implémentées et évaluées puis des approches plus avancées basées sur des méthodes d'apprentissage seront étudiées. L'objectif sera à nouveau de rechercher le meilleur compromis en terme de performances, de consommation et de ressource.
Les objectifs de recherche sont les suivants :
- étudier puis développer un système de corrélation temporelle (sur FPGA), optimisé activement, basse consommation, compatible avec les protocoles BB84 à haut débit en vue d'une intégration dans un système embarqué
- contribuer au développement de la station au sol pour les signaux quantiques puis effectuer la distribution de clés quantiques depuis Eagle-1 vers la station au sol. Les communications quantiques sont un axe de recherche dont la distribution quantique de clef est l'application la plus aboutie aujourd'hui. Ses retombées en termes de sécurisation des données la place au centre des enjeux sociétaux actuels et elle est par ailleurs disponible via de multiples acteurs industriels comme Toshiba ou IdQuantique et Orange qui l'inclut dans ses offres pros via la fibre optique. Les activités de recherches se tournent donc vers l'exploration des nouveaux canaux pour établir des liens quantiques via des satellites ou entre objets mobiles de petite taille pour lesquels les besoins en termes de sécurité sont également importants.

Ces nouvelles configurations font émerger de nouveaux sujets de recherche à l'interface de la physique et de l'électronique :
- Traitement rapide des données (augmentation des débits)
- Compacité
- Basse consommation
- Extraction des clefs secrètes en temps réel
- Intégration de tous les sous-systèmes sur une même carte pour gérer les protocoles de QKD de A à Z . Etudier et concevoir un système embarqué à faible ressource et consommation pour des communications quantiques avec un satellite Après identification des fonctionnalités nécessaires aux communications quantiques avec un satellite, il sera nécessaire de rechercher les architectures présentant le meilleur compromis en terme de ressources, de consommation et de performances. Des expérimentations seront menées afin de valider l'architecture retenue.