Conception de système embarqué pour les communications quantiques : application à la distribution de clés quantiques avec un satellite // Design of embedded system for quantum communication : application to satellite quantum key distribution

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 cœur 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.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Future quantum information networks are the backbone for connecting quantum computers and sensors and ensuring secure communications. Quantum key distribution (QKD) is currently the most mature application of quantum technologies. Implementing such networks under real-world conditions requires adressing multiple challenges: from the fundamental point of view, establishing advanced protocols such as teleportation and from the practical point of view, harnessing optical fibre and freespace toward satellites, but also improving time synchronization and interferometric stabilization of subsystems.
In this context, teams from the LEAT and INPYNI laboratories have joined forces to study the development of a space segment using a satellite or a drone.
The quantum cryptography protocol consists of numerous tasks that are executed in parallel or sequentially. The main objective of this thesis is to study and design an electronic device that controls the protocol and processes data in real time. The innovative constraints we intend to explore within the scope of this thesis are to emphasize compact and embedded design, energy efficiency, and the integration of an active optimization system of the link.
At the heart of the project lies the BB84 QKD protocol [1] is of the “prepare” and “measure” type. Initially, on the transmitter side (Alice), the aim is to randomly controlling the generation of four quantum states from a photonic source, associating a transmission time with each, and storing the choices in a buffer for the remainder of the protocol. On the receiver's side (Bob), arrival times must be associated with the photons and the results of the measurements recorded. Finally, the last part of the protocol involves calculating correlations, detecting and correcting errors, and deriving a secret key to be stored in non-volatile memory.
In this context, the most important task involves the temporal dating of events, as well as the synchronization of Alice and Bob's systems. This type of task is generally performed by a Time-to-Digital Converter (TDC) connected to the photon detectors. Such devices are commercially available and based on ASIC or FPGA [2][3], and are optimised for accuracy and the number of available channels; however, they are generally large in size and not very energy-efficient. In the first part of this thesis, the objective will be to design a new TDC system capable of reducing energy consumption and resource requirements without noticeable reduction in accuracy and, by extension, the QBER, whilst integrating self-calibration mechanisms based on machine learning algorithms. The work in [4] demonstrates the benefit of integrating these algorithms into a TDC to improve accuracy; unfortunately, power consumption and resource usage are not taken into account. Innovative solutions will be investigated to enable remote synchronization with an accuracy of around one hundred picoseconds.
A second area of research concerns real-time data processing and error detection, which, to a certain extent enables the stabilization of the optical component to be controlled. Existing methods described in the literature will initially be implemented and evaluated, after which more advanced approaches based on machine learning methods will be investigated. The aim will again be to find the best compromise in terms of performance, power consumption and resource usage.
The research objectives are as follows:
- to study and then develop a low-power and actively optimized system (on FPGA) for temporal correlation compatible with high-speed BB84 protocols, with a view to integrating it into an embedded system
- to contribute to the development of the ground station for quantum signals and then carry out the distribution of quantum keys from Eagle-1 to the ground station.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral EDSTIC-DS4H

Université Côte d'Azur

84 STIC - Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication

Le candidat recherché doit préférentiellement avoir bénéficié d'une formation en électronique. Des notions sur les technologies quantiques et l'optique quantique seraient un avantage apprécié. Le candidat devra être titulaire d'un M2 ou grade équivalent au moment du recrutement.
The ideal candidate should preferably have a background in electronics. Knowledge of quantum technologies and quantum optics would be an advantage. The candidate must hold a Master or equivalent degree when starting the PhD.