Self-testing Quantum Random Number Generator

Self-testing Quantum Random Number Generator
Responsable
MESSERLI Etienne
Période
octobre 2018 - septembre 2020
Axes
Accélération matérielle du traitement de l'information

La génération de nombres aléatoires joue un rôle crucial dans de nombreuses applications scientifiques et technologiques, en particulier pour la simulation et la cryptographie. Il est d'une importance fondamentale que les nombres générés soient vraiment aléatoires, car toute déviation peut compromettre la sécurité. Notamment, les violations récentes des protocoles cryptographiques ont exploité les faiblesses de la génération de nombres aléatoires. Dans ce contexte, les procédés exploitant le caractère aléatoire inhérent de la physique quantique ont été largement étudiés. Les dispositifs de génération de nombres aléatoires quantiques (QRNG) sont maintenant disponibles dans le commerce, ce qui représente sans doute l'un des développements les plus réussis des technologies quantiques à ce jour.

Malgré ce succès, des développements récents ont mis en évidence une faiblesse générale et une limitation des dispositifs QRNG standards (y compris tous les dispositifs commerciaux). Spécifiquement, ces dispositifs ne permettent pas de fournir une estimation précise de l'entropie (c'est-à-dire de quantifier le caractère aléatoire des informations générées avec le processus quantique). Cela a été reconnu comme un problème crucial pour les QRNG, car une mauvaise estimation de l'entropie peut ouvrir des brèches de sécurité. En pratique, il est généralement difficile d'estimer avec précision l'entropie, puisque la mise en œuvre de tout dispositif QRNG est sujette à des imperfections techniques inévitables qui conduisent à un bruit. Comment différencier ce bruit du véritable caractère aléatoire quantique? Plus important encore, les performances d'un périphérique QRNG peuvent se dégrader avec le temps. Si l'appareil ne fonctionne pas correctement (ou même s'il casse), il peut produire des informations aléatoires de mauvaise qualité (ou même sans hasard) et ceci sans que l'utilisateur en soit conscient.

Récemment, nous avons proposé une solution prometteuse pour résoudre les problèmes ci-dessus, en développant un système QRNG «auto-testé». Ici, l'utilisateur peut faire fonctionner le dispositif QRNG tout en le testant simultanément, et ainsi certifier la génération continue de nombres vraiment aléatoires. Spécifiquement, le générateur peut quantifier la quantité d'entropie quantique générée par le système en temps réel et séparer sans ambiguïté le bruit technique. Ce procédé combine une forte sécurité et une facilité de mise en œuvre, comme nous l'avons démontré dans une expérience de démonstration du principe, en obtenant des taux de génération aléatoires comparables aux QRNG commerciaux (~ 10 MHz). L'objectif principal du présent projet est de développer un démonstrateur pour QRNG auto-testé. Celui-ci devra être compact, simple à utiliser et atteindre des débits élevés. Surtout, il devrait comprendre uniquement des composants optiques et électroniques standard, afin d'assurer un faible coût. À son tour, ce démonstrateur nous placera dans une position idéale pour approcher des partenaires industriels, et ainsi potentiellement lancer le développement commercial de QRNG auto-testé. Sur le plan scientifique le projet comblera le fossé entre les algorithmes de traitement de l'information quantique, qui sont abstraits et indépendants du dispositif, et la technologie quantique commerciale.

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