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Prix de thèse DGA : Communications sécurisées par lasers à cascades quantiques

Le 02 déc. 2021
Olivier Spitz a été récompensé par un prix de thèse de la Direction générale de l’armement pour ses travaux sur l’utilisation de lasers à cascades quantiques pour des communications sécurisées par chaos.
Prix de thèse DGA : Communications sécurisées par lasers à cascades quantiques

Lors de son doctorat effectué au Laboratoire de traitement et communication de l’information (LTCI) de Télécom Paris sous la direction de Frédéric Grillot, Olivier Spitz a démontré la possibilité d’utiliser des lasers à cascades quantiques pour communiquer de façon sécurisée dans l’air, sans passer par fibres optiques. La Direction générale de l’armement vient de lui décerner un prix pour cette thèse qui ouvre, entre autres, des perspectives sur le terrain d’opérations militaires.

Conçus dans les années 1990, les lasers à cascades quantiques sont capables, grâce à leur nanostructure, d’émettre de la lumière dans les gammes dite du moyen infrarouge et de l’infrarouge lointain, ce qui correspond à des longueurs d’onde de quelques micromètres à une dizaine de micromètres. « Les diodes lasers traditionnelles, utilisées notamment dans les télécommunications, ne peuvent pas émettre à ces longueurs d’onde, précise Olivier Spitz. » Or un des avantages de l’infrarouge moyen ou lointain réside dans une moindre absorption et une moindre sensibilité aux turbulences de l’atmosphère, ce qui favorise leur transmission dans l’air.

Ces lasers à cascades quantiques émettent un faisceau lumineux très stable. Pourtant, une partie de la thèse d’Olivier Spitz a été de montrer qu’on pouvait les déstabiliser en réinjectant dans le laser une fraction de la lumière qu’il a émis. « Ce phénomène était connu pour les diodes lasers, mais il y avait débat dans la communauté scientifique dans le cas des lasers à cascades quantiques ». Le faisceau de sortie est alors perturbé et présente des « dynamiques non-linéaires » que le chercheur a étudié : des comportements apériodiques, des impulsions extrêmes, ou même un signal chaotique.

Un signal chaotique ressemble à un signal bruité et aléatoire. Mais il peut être définit par sa dépendance aux conditions initiales de l’expérience : un minuscule changement des paramètres et le signal de sortie change du tout au tout. Olivier Spitz a précisément caractérisé ce chaos avant de l’utiliser pour un protocole de communication sécurisé permettant de transmettre un message. Ce protocole comprend trois grandes étapes.

D’abord, l’envoyeur ajoute, par une technique de modulation, le message à transmettre dans le signal chaotique en sortie d’un laser à cascades quantiques. De cette façon, le message est caché dans le chaos. La lumière se propage ensuite jusqu’au destinataire qui injecte cette lumière dans son propre laser à cascades quantiques. Si ce laser est identique (ou avec des caractéristiques très proches) de celui de l’envoyeur, il se produit le phénomène de « synchronisation du chaos » : le faisceau de sortie du laser du destinataire reproduit exactement le signal chaotique du laser de l’envoyeur, à l’exception du message qui y était caché ! La troisième étape consiste alors, pour le destinataire, à effectuer une soustraction entre la lumière qu’il a reçu et le signal de sortie de son laser : il récupère ainsi le message décodé.

Ce protocole avait déjà été réalisé avec des lasers traditionnels, mais Olivier Spitz en a effectué la première démonstration avec des lasers à cascades quantiques. Il est en théorie possible pour quelqu’un d’extérieur d’intercepter et de décrypter la communication, mais cela requiert en pratique une puissance de calcul gigantesque. De plus, les lasers à cascades quantiques sont peu répandus, ce qui rend peu probable que quelqu’un puisse intercepter le message et réussir la synchronisation du chaos. Il s’agit pour l’instant d’expériences de laboratoires, avec des distances de transmission de l’ordre du mètre et des débits autour du mégabits par seconde, faible, mais qui pourrait suffire pour des applications militaires opérationnelles. « En utilisant ces lasers à cascades quantiques sans le protocole de sécurisation, il est possible d’atteindre des débits autour de la dizaine de gigabits par seconde. On peut alors imaginer que ces systèmes puissent aussi aider à restaurer les communications dans des zones sinistrées, après un tremblement de terre qui aurait détérioré les systèmes de télécommunications par fibres par exemple » souligne Olivier Spitz, aujourd’hui post-doctorant à l’université de Yale aux Etats-Unis.