RENFORCEMENT DE LA SECURITE DES COMMUNICATIONS AERONAUTIQUES EN

Ce projet a pour but de 1 étudier profondément le protocole d’échange de clef quantique BB84, 2 examiner la faisabilité de l’intégration de la CQ dans les réseaux de satellites et 3 renf

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

Sujet :

RENFORCEMENT DE LA SECURITE DES

COMMUNICATIONS AERONAUTIQUES EN UTILISANT LA CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE

Réalisé par :

Le Quoc-Cuong, IFI-P8

Responsables :

M Dang Minh-Dung, ENST-Paris

M Romain Alléaume, ENST-Paris

M Patrick Bellot, ENST-Paris

Paris, Mai - Novembre 2004

Table des matières

REMERCIEMENTS 2

RÉSUMÉ 3

ABSTRACT 4

LIST DES FIGURES 5

LIST DES TABLEAUX 6

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 7

1.1 CONTEXTE GÉNÉRAL ET OBJECTIF DU STAGE 7

1.2 INTRODUCTION DE LA CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE 7

1.3 PLAN DU RAPPORT 8

CHAPITRE 2 CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE EN AIR LIBRE - RÉSEAU DE SATELLITES - RÉSEAU ATN 9

2.1 CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE EN AIR LIBRE 9

2.1.1 Etat de l’art 10

2.1.2 Expérience réussie la plus récente 11

2.2 RÉSEAUX DE SATELLITES DE COMMUNICATION 14

2.3 COMMUNICATIONS SÉCURISÉES DU RÉSEAU ATN 18

CHAPITRE 3 CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE ET RÉSEAU DE TÉLÉCOMMUNICATION AÉRONAUTIQUE (ATN) 21

3.1 INTÉGRATION DE LA CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE ET LES SATELLITES 21

3.2 RENFORCEMENT DE LA SÉCURITÉ DANS LE RÉSEAU ATN 22

3.2.1 Solution pour les applications Air/Sol 23

3.2.2 Solution pour les applications Sol/Sol 30

3.2.3 Proposition d’une solution globale 32

CHAPITRE 4 ANALYSE 34

CHAPITRE 5 CONCLUSION 35

BIBLIOGRAPHIE 36

Remerciements

Les travaux présentés dans ce rapport ont été effectués dans le Département Informatique et Réseaux de l’Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Paris (Télécom-Paris) et je remercie M Michel Riguidel de m’y avoir accueilli

Bien entendu, je tiens à remercier particulièrement M Patrick Bellot, M Romain Alléaume,

M Dang Minh-Dung pour avoir bien encadré mon stage

Je tiens aussi à remercier Nguyen Toan Linh Tam, Nguyen Thanh Mai pour l’ambiance très agréable qu’ils ont apportée dans notre groupe pendant toute la durée de notre stage

Enfin, je réserve mes remerciements les plus chaleureux à ma famille et à mes amis, qui m’ont toujours entouré et soutenu pendant les moments difficiles

un future proche Mon stage a été mené au projet titulé « Renforcement de la sécurité des

communications aéronautiques en utilisant la Cryptographie Quantique » C’est un projet

d’étude collaboré entre Eurocontrol et ENST-Paris dans la recherche des applications de la CQ

Ce projet a pour but de (1) étudier profondément le protocole d’échange de clef quantique BB84, (2) examiner la faisabilité de l’intégration de la CQ dans les réseaux de satellites et (3) renforcer la sécurité des communications du réseau ATN(*) en utilisant la CQ

Dans le cadre de ce rapport, je présente une étude bibliographique des systèmes CQs en libre et aussi un survol des réseaux de satellites, qui sont des conditions préalables et suffisantes pour la détermination du problème (2), qui est présentée dans le mémoire de fin d’études de M Nguyen Toan-Linh-Tam, IFI-P8 Je résolve également le problème (3) en cherchant une solution quantique concrète adaptée aux communications sécurisées basées sur PKI(**) du réseau ATN J’examine également la possibilité de construire une infrastructure de distribution de clef secrète en appliquant la mécanique quantique

Les résultats obtenus sont été appréciés par Eurocontrol : nous avons pu simuler et visualiser

le protocole BB84 (voir le mémoire de fin d’études de Mlle Nguyen Thanh-Mai, IFI-P8), valider et proposer les scénarios expérimentales pour l’intégration de la CQ dans les réseaux

de satellites (voir le mémoire de fin d’études de M Nguyen Toan-Linh-Tam, IFI-P8), proposer les solutions quantiques pour sécuriser les communications Air/Sol et Sol/Sol du réseau ATN, et de plus, proposer une stratégie de construire une infrastructure de distribution

de clef quantique visée à un réseau ATN sécurisé inconditionnel globale

Mots clés : Cryptographie Quantique (CQ), Distribution de Clef Quantique (QKD(***)), cryptographie quantique en air-libre, réseau de satellites, Réseau de Télécommunication Aéronautique (ATN), communication Air/Sol, communication Sol/Sol

Abstract

In the last years, Quantum Cryptography (QC) has emerged as a new potential technology which allows a global unconditional security in the near future My work is a contribution to

the Enhancement of AGT communications security using Quantum Cryptography project, a

collaboration between Eurocontrol and ENST-Paris in the research of QC applications

The objectives of this project are: (1) to study deeply the BB84 quantum key distribution protocol, (2) to verify the feasibility of the integration of QC in satellite networks, and (3) enhance the security of Air/Ground and Ground/Ground communications of the ATN network

by using Quantum Cryptography

In this report, I only introduce the state of the art of free-space QC systems and an overview

of satellite networks, that are prerequisite and sufficient for the determination of the problem (2) introduced in the report of Mr Nguyen Toan-Linh-Tam, IFI-P8 I also solve the problem (3) by seeking a concrete quantum solution adapted to the protected communications based on PKI of the ATN I also examine the possibility to built a key distribution infrastructure based the quantum mechanics

The obtained results have been appreciated by Eurocontrol: we have been able to simulate and

to visualize the protocol BB84 (see the report of Nguyen Thanh-Mai, IFI-P8), to validate and

to propose the experimental scenarios for the integration of QC in satellite networks (see the report of Nguyen Toan-Linh-Tam, IFI-P8), to propose solutions which apply quantum technology to protect Air/Ground and Ground/Ground communications, and to propose a strategy to build a CQ infrastructure for a ATN global unconditional secured network

Keyworks: Quantum Cryptography (QC), Quantum Key Distribution (CQ), free-space QC,

satellite network, Aeronautical Telecommunication Network (ATN), Air/Ground communication, Ground/Ground communication

List des figures

Figure 2-1 Emetteur de Alice 12

Figure 2-2 Récepteur de Bob 13

Figure 2-3 Système de Positionnement Globale 17

Figure 3-1 Source de photon single au Sol 25

Figure 3-2 Source de photon single sur l’avion 25

Figure 3-3 Source de photon single sur le satellite 26

Figure 3-4 Source de photons intriqués au sol 27

Figure 3-5 Source de photons intriqués sur l’avion 28

Figure 3-6 Source de photons intriqués sur le satellite 29

Figure 3-7 Communication sécurisée entre 2 sous-réseaux basé sur la CQ 30

Figure 3-8 Relais au Sol entre deux sous réseaux 31

Figure 3-9 Relais sur les satellites entre deux sous-réseaux 31

Figure 3-10 Réseau des relais quantiques 32

Figure 3-11 QBONE pour le réseau ATN sécurisé global 33

List des tableaux

Tableau 2-1 Expériences du système en air-libre 10

Tableau 2-2 Résultats de l’expérience 14

Tableau 2-3 Fréquences des bandes communs 15

Tableau 2-4 Caractéristiques des satellites différents 15

Tableau 3-1 Communications sécurisées Air/Sol par QCKI 24

_

(1)

- Principe d’incertitude d’Heicenberg : Plus on connaît avec précision la vitesse d'une particule, moins on

connaît sa position dans l'espace, et réciproquement

Chapitre 1 Introduction

1.1 Contexte général et objectif du stage

La sécurité informatique est certainement l'une des grandes questions technologiques du 21ème siècle Normalement, la communication peut être sécurisé en utilisant la cryptographie classique qui est lié strictement à la difficulté des problèmes mathématiques Toutefois, ces dernières années, la Cryptographie Quantique (CQ) a émergée en tant qu’alternative à la cryptographie classique dans le problème de sécuriser des communications L’idée fondamentale de la CQ est d’exploiter le principe d’incertitude de Heisenberg(1) pour interdire

à un espion d’apprendre quoi que ce soit d’utile sur une transmission d’information Autrement dit, le principe d’incertitude d’Heisenberg est au cœur de l’informatique quantique

et surtout le garant de la sécurité inconditionnelle des communications associées

Dans les phénomènes de recherche en 2003, on peut mentionner le démarrage du projet européen SECOQC(2) visant à développer un réseau sécurisé basé sur les technologies quantiques Dans le projet SECOQC, incluant de nombreux partenaires dont des laboratoires

de physique quantique, ENST-Paris est en charge de l'architecture du réseau et de la

validation de la sécurité Le projet d'étude « Renforcement de la sécurité des communications

aéronautiques en utilisant la Cryptographie Quantique » est une collaboration entre

EUROCONTROL et ENST-Paris dans le cadre du SECOQC, qui est commencée au 17 Février 2004 et a été présentée au 9 Décembre 2004 au Centre Expérimental de EUROCONTROL (EEC) Ce projet a pour but :

1 – étudier profondément le protocole d’échange de clef quantique BB84 (voir le rapport de Mlle Nguyen Thanh-Mai)

2 – examiner la faisabilité de l’intégration de la CQ dans les réseaux de satellites

3 – renforcer la sécurité des communications du réseau ATN en utilisant la CQ

Dans le cadre de ce rapport, je ne présente qu’une étude bibliographique des systèmes CQs en air-libre et aussi un survol des réseaux de satellites, qui sont des conditions préalables et suffisants pour la détermination du problème (2) dans le rapport de M Nguyen Toan-Linh-Tam Je résolve également le problème (3) en cherchant une solution quantique concrète adaptée aux communications sécurisées basées sur PKI du réseau ATN J’examine également

la possibilité de construire une infrastructure de distribution de clef secrète en appliquant la mécanique quantique (Pour une version complète, veuillez-vous consulter à l’adresse : http://www.eurocontrol.int/care/innovative/care2/ENST/WP3.pdf)

1.2 Introduction de la cryptographie quantique

Les communications sécurisées classiques reposent sur une clef de chiffrage connu seulement

de l’expéditeur Alice et du destinataire Bob Un tel système est appelé à clef secrète Il sera sûr si on utilise le code de Vernam (ou marque-jetable) Cependant, il faut avoir un moyen de

se transmettre la clef entre Alice et Bob sans l’interception de l’espion Eve Dans la

cryptographie classique, jusqu’à présent, le problème de transmission d’une clef secrète n’a pas encore de solution absolue Pour résoudre ce problème, normalement, on utilise un

système à clef publique, qui se base sur la difficulté mathématique de la factorisation d’un

_

(1)

Pour plus détaillé, veuillez-vous consulter le rapport de Mlle Nguyen Thanh-Mai

(2)

Pour plus détaillé, veuillez-vous consulter le rapport de M Nguyen Toan-Linh-Tam

grand nombre entier A ce jour, on n’arrive pas encore à trouver les algorithmes efficaces pour résoudre ces problèmes Alors, un système de cryptographie classique va être considéré

comme sûr si pour déchiffrer un message en un temps raisonnable, un espion doit avoir une

puissance de calcul déraisonnable

En étant très pessimiste, on peut imaginer que quelqu’un trouvera, ou a déjà trouvé mais non publié, les algorithmes efficaces pour résoudre le problème de factorisation en temps raisonnable en utilisant une puissance de calcul aussi raisonnable De plus, si on peut réussir

un jour à construire l’ordinateur quantique, on peut briser facilement les systèmes de cryptographie à présent grâce à sa puissance massive Heureusement, on peut éviter ces risques en utilisant la cryptographie quantique dont la sécurité est garantie par les lois physiques quantiques En fait, on a profité de ces lois les caractéristiques suivantes:

1 – Mesure en mécanique quantique : Toute mesure perturbe le système observé,

autrement dit, pour une mesure, il faut qu’il y a des interactions entre le système observé et l’appareil de mesure

2 – Théorème de non-clonage : il est impossible de dupliquer un état quantique

arbitraire

Supposons que Alice et Bob veulent échanger un message secret et Eve est l’espion Alice va coder chaque bit du message en un photon, et envoyer une chaîne des photons à Bob Si Eve intercepte le canal quantique et mesure les photons transmis, grâce aux 2 caractéristiques au-dessus, Alice et Bob vont toujours reconnaître cette interception, alors, rétablir une autre transmission jusqu’au succès(1) Toutefois, la vitesse des transmissions sécurisées quantiques est encore limitée à cause des dispositifs physiques A l’heure actuelle, la vitesse record de telles transmissions est environ de 1000bits/s Cette vitesse ne convient qu’en fait à la distribution de clef secrète C’est pourquoi normalement, mais pas toujours, le terme de

« cryptographie quantique » ne signifie que celui de « distribution quantique de clef secrète » J’utilise également cet convention dans ce rapport, la distribution quantique de clef

secrète étant le seul type de cryptographie quantique considéré ici

1.3 Plan du rapport

Ce rapport est divisé en 4 parties :

Je commencerai ce rapport en introduisant quelques problèmes concernés : une bref histoire des systèmes CQs en air-libre dans la chapitre 2.1, un survol des réseaux de satellites de communication dans le chapitre 2.2, et l’architecture et la méthode actuelle pour sécuriser les communications du réseau ATN dans le chapitre 2.3

La deuxième partie sera commencée par quelques mots de l’intégration de la technologie quantique aux réseaux de satellites, visant à une sécurité inconditionnelle globale basée sur les satellites(2) Ensuite, je proposerai les solutions et leurs scénarios expérimentaux pour chaque type de communication dans le réseau ATN dans chapitre 3.2

Je présenterai quelques analyses des résultats obtenus au chapitre 4 et terminerai ce rapport par quelques conclusions au chapitre 5

Chapitre 2 Cryptographie Quantique en air libre - Réseau de Satellites - Réseau ATN

2.1 Cryptographie Quantique en air libre

Le progrès dans la technologie physique joue un rơle très important dans le développement de

la Cryptographie Quantique (CQ) Normalement, un système CQ contient au moins un émetteur (source de photon), un récepteur (détecteur) et un canal quantique La liaison à fibre optique est une de deux solutions pour le canal quantique, l’autre est en air libre Jusqu’à maintenant, le plupart des chercheurs utilisent les liaisons à fibre optique afin de guider des photons de Alice à Bob Bien que les systèmes à fibre optique soient très avancés, un tel système ne peut pas fonctionner au-dessus de la distance de 150km [1] dû à la combinaison de

la perte induit par la fibre optique et des bruits de détecteur D’ailleurs, une liaison à fibre optique ne peut pas être disponible à cause des autres raisons comme les difficultés géographiques, etc C’est la raison qu’il y a de plus en plus efforts de développer les systèmes qui se basent sur une liaison en air libre, ó les photons sont envoyés entre deux télescopes à distance

La toute première démonstration du système CQ en air libre était une expérience au Centre de Recherches d’IBM Thomas J.Watson sur une table avec une distance de 32cm [2] Avec le progrès de la technologie, le résultat le plus récent d’un tel système est une distance de 23.4km [3] En effet, les calculs théoriques nous permettent d’espérer une communication en air libre jusqu’à 1600km, approprié pour l’échange des clefs secrets par satellite Dans cette chapitre, nous venons voir l’état de l’art du système CQ en air libre, aussi faire le point sur les communications entre les satellites pour examiner la possibilité d’associer les satellites et la

CQ pour une distribution de clef globale, qui est le but final de tels systèmes

Les liaisons quantiques en air libre ont été étudié et déjà avec succès mis en œuvre pendant plusieurs années dans les systèmes CQs qui se basent sur les impulsions lasers faibles classiques [4, 5, 6, 7, 3] La liaison en air libre est une des deux solutions pour le canal quantique La transmission des photons en air libre a plusieurs avantages au comparaison avec celle dans une fibre optique Tout d’abord, l’atmosphère a une fenêtre de transmission avancé

à la longueur d’onde autour de 800nm, ó les photon peuvent être facilement détecté par un détecteur commercial à haute efficacité En outre, l'atmosphère est seulement faiblement dispersive et essentiellement isotrope à ces longueurs d'onde Elle ne changera ainsi pas l'état polarisé d'un photon

Cependant, il y a aussi bien des inconvénients liés aux liaisons quantiques en air libre Premièrement, contrairement au signal transmis dans une fibre optique ó l'énergie est protégée et les restes sont localisés dans un petit espace, l'énergie transmis en air libre étend, menant à plus des pertes de transmission très variées Deuxièmement, la lumière du fond telle que l’ambiant du jour ou même le clair du lune au soir peut coupler dans le récepteur, menant des erreurs de compte foncé Enfin, il est clair que la performance du système CQ en air libre dépende nettement les conditions atmosphériques

2.1.1 Etat de l’art

Stephen Wiesner, H.Bennett d'IBM, G.Brassard de l'Université de Montréal a proposé la première fois l'idée de la CQ dans les années 70 Cependant, cette idée est si simple que n'importe quel étudiant dans la première année en mécanique quantique pourrait l'avoir découverte totalement Néanmoins, il est maintenant que la théorie de la CQ est assez mûre et

la sécurité d’information devient assez importante pour que les physiciens sont prêts à considérer la mécanique quantique, non seulement comme une théorie étrange bonne pour les paradoxes, mais également comme un outil pour une nouvelle technologie prometteuse

On a proposé le premier protocole utilisé dans la CQ en 1984 par H.Bennett et G.Brassard, par conséquent le nom est BB84 Après cela, les autres plus efficaces ont été présentés comme le protocole de deux-états, le protocole de six-états, le protocole de Einstein-Podolsky-Rosen, etc Mais la plupart des expériences de la CQ sont jusqu'à présent limitées

au protocole BB84 car sa simplicité et la limitation des dispositifs physiques

Une des choses plus importantes dans un système CQ est le choix du source de photon et du compteur de photon Essentiellement, la CQ est basée sur les états de Fock à photon simple Malheureusement, il est difficile à réaliser ces états en réel De nos jours, les expériences pratiques se fondent sur les impulsions lasers faibles ou les paires de photons intriqués, ó la distribution des photons ou des paires de photons intriqués obéissent les statistiques de Poisson S’il y a une grande perte sur le canal quantique, même une petite fraction de ces multiphotons peut avoir des conséquences graves sur la sécurité de la clef échangée, menant

à intéresser au "pistolet de photon" Quant au compteur de photon, en principe, il peut être réalisé en utilisant une variété de techniques, par exemple, le photomultiplicateurs, la photodiode à avalanche, le détecteur multicanal, et le détecteur supraconductrice à jonction Josephson [8]

Aujourd'hui, le meilleur choix de la longueur d'onde pour les systèmes CQ en air libre est de

800 nm car les compteurs très efficaces comme les photodiodes à avalanche (APD) sont disponibles dans le commerce En outre, le récepteur emploie une combinaison du filtrage spectral, filtrage spatial et la discrimination de synchronisation en utilisant la fenêtre de cọncidence typiquement de quelques nanosecondes pour diminuer des erreurs de compte foncé Cependant, la transmission en air libre est limitée aux liaisons « ligne de vue » Ainsi,

le pointage du faisceau de laser est encore difficile pour les cibles mobiles

En dépit du progrès de la théorie de la CQ, les systèmes CQ en air libre ne sont pas populaires Au début des années 90, la première expérience a exécuté par Bennett et ses collègues au laboratoire d’IBM avec une distance de 30cm [2] Après, il y a quelques autres des expériences en air libre significatives comme les suivantes :

Tableau 2-1 Expériences du système en air-libre

Les résultats obtenus de P Morris forment une étape significative vers les systèmes d’échange quantique de clef secrète Un tel système en utilisant les télescopes plus grands et légères, les filtres optimisés et l'anti-réflexion, combiné avec le matériel de pointage et de cheminement automatique plus sophistiqué, pourrait être stable jusqu'à 34dB de la perte - la limitation de la perte acceptable pour un système CQ - et capable d’obtenir une distance maximum excédant à 1600km Nous pourrions imaginer la possibilité d’échanger des clefs quantiques avec un satellite en orbite basse tels qu'une station de relais sécurisée Cela offre la possibilité intéressante, c’est l'échange sécurisée inviolable des clefs secrètes entre deux endroits arbitraires quelconques dans le monde entier

Pour une meilleure compréhension, nous étudierons le succès le plus récent du système CQ en air libre de P Morris

2.1.2 Expérience réussie la plus récente

De septembre 2001 à janvier 2002, P Morris ont examiné son système CQ en air libre portable entre deux sommet de montagne, Karwendelspitze (2244m) et Zugspitze (2960m), en Allemagne méridionale, pour l'échange des clefs secrètes[3] La distance entre les deux sommets est 23.4km Le chemin très élevé du faisceau laser a nettement réduit les effets de la perturbation atmosphérique qui sont présents dans les expériences précédentes à plus basse altitude Mais il a également causé les nouvelles exigences sur la stabilité contre les changements de température, la fiabilité dans les conditions atmosphériques extrêmes et la facilité de l'alignement

semi-L'émetteur, appelé Alice, code un ensemble des nombres binaires aléatoires dans les impulsions lumineuses faibles en utilisant une polarisation linéaire pour coder la valeur de 1

et une impulsion polarisée orthogonalement pour coder la valeur de 0 Afin d’empêcher un espion à intercepter les bits échangés, le nombre des photons par impulsion doit être limité à moins que l'unité (l'atténuation finale est dépendante de la transmission réelle et est habituellement choisie en tant que 0.1 photons par impulsion) En outre, la base de codage est aléatoirement changée en présentant une rotation de la polarisation de 45° sur la moitié des impulsions envoyées A côté du récepteur, appelé Bob, le compteur de photon détecte les impulsions reçues en convertissant la lumière en les impulsions électroniques macroscopiques Les deux polarisations sont séparées dans un diviseur de faisceau polarisé et

un valeur de 0 ou de 1 sera enregistré selon la polarisation détectée Un commutateur aléatoire choisit la base de codage de 0° ou de 45° dans laquelle on va mesurer une impulsion reçue Donc, chaque photon envoyé va avoir une possibilité de 50% pour que la base de mesure soit

de même que la base de codage A cause de l'atténuation initiale et de l'atténuation sur la liaison de transmission, seulement très peu des impulsions envoyées ont détectés au récepteur Les impulsions détectées sont gardées dans un registre et à la fin de la transmission, le récepteur utilise un canal classique (par exemple la ligne téléphonique) pour indiquer à l'émetteur quelles impulsions sont arrivées et dans quelles base elles ont été mesurée Toutes les impulsions perdues et toutes les impulsions détectées mais mesurées dans une base différente à la base de codage sont effacées dans le registre de l'émetteur Ainsi, la clef aléatoire identique est maintenue par l'émetteur et le récepteur Toutes différences restantes (erreurs) signalent l'interception d'un espionnage! Si un espion mesure la polarisation d'une impulsion, cette impulsion, étant un photon simple, est détruite et n'arrive pas à Bob et n'est pas incorporée ainsi dans la clef L'espion peut choisir les bases de codage, mesurer les impulsions et ensuite renvoyer leurs copies Cependant, cette stratégie doit échouer parce que dans la moitié des fois l'espion aura choisi la base de mesure fausse et les impulsions

renvoyées induiront un taux d'erreur de 25%, tandis que ce taux dans le cas normal est 50%

En effet, un certain niveau du taux d'erreur pourrait naturellement être provoqué par les imperfections dans les dispositifs utilisés, mais afin de garantir la sécurité absolue n'importe quelle erreur devrait être attribuée à l’interception Ainsi, au-dessous d'un certain seuil, les erreurs vont être corrigées et la connaissance potentielle sur la clef d’une espion va être effacée par des protocoles d'amplification d'intimité

Il est pareil au comparaison à tous les autres systèmes CQs en air libre, le système CQ de P.Morris se compose de 3 composants principaux:

- Emetteur

- Détecteur

- Canal quantique (en air libre)

Figure 2-1 Emetteur de Alice

L'émetteur (le figure 2-1) est conçu autour d’un télescope au diamètre de 80 mm La carte E/S numérique fournit des signaux de 2-bit aléatoire à 10 MHz synchronisés à l'horloge de référence Ces signaux sont employé dans le conducteur d'impulsion pour tirer aléatoirement

un de quatre lasers de la durée de 500 ps et de la longueur d'onde de 850 nm dans un module

de source miniature Cette source miniature emploie la polarisation rapprochant des impulsions faibles codées au lieu des photons simples Les quatre lasers sont combinés dans

un filtre spatial à l'aide d'un objectif de miroir et de relais conique Chaque laser est tourné pour produire un des quatre polarisations : 0°, 90°, 45° ou 135° et illumine un filtre spatial se composant de deux trous d'épingle avec un diamètre de 100 µm placé à une distance de 9 mm Puisque le chevauchement des modes d'émission des quatre diodes de laser avec le mode de filtre est plutôt pauvre, les impulsions de laser initiales très lumineuses sont atténuées jusqu’environ le niveau de "un photon par impulsion" Ce système emploie des impulsions de 0,05-0,5 photons par impulsion L'atténuation réelle peut être très bien accordée en manoeuvrant le courant sur la diode et peut être avec précision calibrée en utilisant le filtre spatial Ce filtre efface toutes les informations spatiales sur quelle diode que le laser a été tiré L'information spectrale n'est également pas possible par un espion car le spectre des quatre diodes de laser peut être chevauché par une largeur de 3 nm en mode pulsé Un faisceau lumineux de vague continue peut être injecté avec un miroir auxiliaire AM pour l'alignement dans le même filtre spatial que les impulsions faibles, alors qu'un calibrage du nombre de

photons par impulsion peut être fait en insérant le miroir FM et en utilisant une compteur de photon

La sortie du filtre spatial est alors transformé à un faisceau de collimation avec la pleine largeur à demi maximum (FWHM) de 2mm et encore augmenté dans un télescope de x20 (L1

et L2) pour produire un faisceau FWHM de 40mm de diffraction limitée Un traducteur de précision avec l'objectif L1 permet l'ajustement fin de foyer Les miroirs AM, FM, M1 et M2 sont en or enduit pour la réflectivité élevée dans l'infrarouge Avec l’alignement de laser et le détecteur de photon simple, le système entier est monté sur une carte de 25x50cm, attaché au tableau de pointage sensible de microradian sur un trépied vigoureux L'ordinateur emploie un nombre aléatoire préenregistré pour choisir la polarisation pour les expériences actuel Alternativement, la génération presque en temps réel était possible, ó un séquence des bits produit par un générateur quantique des nombres aléatoires fonctionnant à 20 MHz a été produit avant la transmission

Figure 2-2 Récepteur de Bob

Le système de récepteur (figure 2.2) se compose d'un télescope commercial ayant le diamètre

de 25 cm (Meade LX200) avec les possibilités de pointage réalisées par un ordinateur en employant un miroir tournant et un appareil de photo CCD pour regarder la lumière entrante Malheureusement, le mécanisme appliquant dans ce système était un facteur limité de l'alignement du récepteur, et était également difficile à manipuler aux conditions dures en plein air Un module compact du compteur de photon se composant de quatre détecteurs a été couplé au dos du télescope après un long filtre RG780 pour bloquer les longueurs d’onde courts du fond Ce module se compose d'un diviseur de faisceau dépolarisé (BS) passant deux faisceaux aux diviseur de faisceau polarisé (PBS) qui sont suivis de quatre diodes d’avalanche pour détecter les photons Un diviseur de faisceau polarisé (dans le bras de D1/D3) est précédé par un rotateur de polarisation de 45° Ainsi, les photons détectés dans ce canal sont mesurés dans la base 45°/135°, et les autres vont être mesurés dans la base de 0°/90° Puisque

se dédoubler des photons entrants aux deux analyseurs par le diviseur de faisceau est vraiment aléatoire, aucune suite de nombres aléatoires ne sont exigés du cơté de récepteur Le module a incorporé les approvisionnements à haute tension et les circuits discriminatoires pour produire des impulsions standards de NIM à la sortie Les sorties des détecteurs D3 et D4 sont combinés avec les sorties D1 et D2 avec un retard de 5 ns et puis entrent dans la carte de temps numérique à deux voies (guide de technologie GT654) dans le PC Ce retard est alors

employé pour distinguer entre les deux bases de mesure L'efficacité de détection optique finale du récepteur est environ 16%

A cơté des dispositifs quantiques, la synchronisation est très importante Les deux ordinateurs séparés ont été liés par les modems fonctionnant sur un lien standard de téléphone mobile (débit de 9.6 Kbaud) Les détections du photon peuvent être déclenchées dans deux fenêtres ayant la largeurs de 1.4ns séparées par 5ns Les impulsions dehors de ces 2 portes sont ignorées Le taux d'erreur dû à la lumière du fond est ainsi supprimé par un facteur d’environ

de 1/35 Le tableau 2.3 montre quelques résultats obtenus :

Jour Photos par

une impulsion

+/-10%

Données brutes

Bits/s

Lumière du fond

Bits/s

Taux des bits erronés

%

Vitesse de clef finale

Tableau 2-2 Résultats de l’expérience

2.2 Réseaux de satellites de communication

Auparavant, les satellites étaient exotiques, des dispositifs trop secrets Ils ont été utilisés principalement dans les organisations militaires pour les activités telles que la navigation et l'intelligence Maintenant ils sont une partie essentielle de nos vies quotidiennes Les satellites

de communication permettent aux transmissions de la radio, de la télévision, et de la téléphone d’être vivants à n'importe ó dans le monde Avant les satellites, les transmissions étaient difficiles, même impossibles envers les distances longues Les signaux, qui voyagent toujours sur les lignes tout droites, ne pourraient pas se plier autour de la terre ronde pour atteindre une destination trop loin Puisque les satellites sont en orbite, les signaux peuvent être envoyés instantanément dans l'espace et être puis réorientés à un autre satellite ou directement à leur destination

Un satellite de communication fonctionne comme une station de répétition sans fil qui fournit une liaison entre deux endroit géographiquement à distance Grâce à son altitude très élevée, les transmissions par satellite peuvent couvrir un domaine très large sur la terre Normalement, chaque satellite est équipé de nombre varié des "transpondeurs" qui se compose d'un émetteur, d’un récepteur et d'une antenne accordé à un certain spectre assigné

Le signal entrant est amplifié et puis réémis par une autre fréquence différente La plupart de satellites émettent simplement celui qu'elles reçoivent Celles-ci ont été traditionnellement utilisées pour réaliser des applications comme les émissions de TV et la téléphonie de vive voix Ces derniers années, l'utilisation des satellites dans la transmission de paquet des données a été évolué Elles sont typiquement utilisées dans les réseaux WAN ó elles fournissent les liaisons principales connectées à autres WANs et LANs géographiquement dispersés[ 9 ]

Normalement, les satellites peuvent fonctionner sur plusieurs bandes de fréquence différentes

et utiliser séparément les fréquences porteuses pour le lien vers haut et le lien vers bas Le tableau 2.3 montre les bandes de fréquence les plus communes L'utilisation de la bande C

était la plus commune dans la première génération des systèmes de communication par satellite Cependant cette bande est vraiment serrée quand les liens de micro-onde terrestres emploient également ces fréquences La tendance courante est des fréquences plus élevées comme les bandes Ku et Ka L'atténuation due à la pluie est un problème très important dans tous les deux bandes En outre, à cause des fréquences plus élevées, les dispositifs de micro-onde sont toujours très chers, particulièrement pour la bande de Ka

Tableau 2-3 Fréquences des bandes communs

La surface de la terre couverte par un faisceau de transmission d’une satellite est désigné sous

le nom "empreinte de pas" du transpondeur de satellite Le lien vers haut est fortement un lien directionnel, point-à-point utilisant une grande antenne parabolique à la station au sol Le lien vers bas peut avoir une grande empreinte de pas pour couvrir un secteur substantiel ou un

"faisceau de petite tache" qui peut être employé pour concentrer l’énergie élevée à une station

au sol qui est meilleur marché et plus petites D'ailleurs, quelques satellites peuvent dynamiquement réorienter leurs faisceaux et changer ainsi leur secteur de couverture

Des satellites peuvent être placés dans les orbites en tailles et formes différentes (circulaire ou elliptique) Basé sur le rayon orbital, tous les satellites tombent dans un des trois catégories suivantes :

- Orbite Basse De la Terre (LEO)

- Orbite Moyenne De la Terre (MEO)

- Orbite Géostationnaire (GEO)

Quelques caractéristiques de 3 types satellites sont montrés dans le tableau 2.5

Avantages Cỏt de lancement

réduit, temps d’autour très court, perte réduite

Cỏt de lancement moyen, temps d’autour court

Couvrir 42.2% de la surface de la terre, vue constante

Désavantages Durée de vie très

court 1-3 mois, rencontre la ceinture

de rayonnement

Plus de retarde Plus de perte

Temps d’autour trop large, très cỏteux

Tableau 2-4 Caractéristiques des satellites différents

Les satellites peuvent également être classifiés en termes de leur charge Les satellites qui pèsent environ de 800 à 1000 kg tombent dans la classe "petite", tandis que la classe plus lourde est appelée les "grands" satellites Les satellites GEO sont typiquement les "grands" satellites, tandis que les satellites LEO peuvent tomber dans l'une ou l'autre classe

Quelques protocoles des communications pour les satellites:

ALOHA : Il est un des protocoles de base dans les communications par des paquets radios Le

système d'Aloha a une structure simple et très facile à contrơler Cependant, il est difficile de recevoir correctement un paquet si la collision de paquet se produit

Accès Multiple de la Division de Fréquence (FDMA) : Il est le plus vieux et toujours celui de

la méthode la plus commune pour l'attribution de canal Dans cette méthode, la largeur de bande du canal disponible d’un satellite est divisé en plusieurs bandes de fréquence pour plusieurs stations différentes

Accès Multiple de la Division de Temps (TDMA) : Dans cette méthode, les canaux sont les

temps multiplexé dans une mode séquentielle Chaque station terrestre obtient le droit à transmettre seulement dans quelques fentes de temps fixées

Accès Multiple de la Division de Code (CDMA) : Cette méthode emploie un hybride de

temps/fréquence multiplexé et est une forme de la modulation de spectre écartée Elle est une méthode très nouvelle mais on espère qu’elle va devenir une méthode plus commun dans le futurs de satellites

Accès Multiple de la Réservation de Paquet (PRMA) : C'est une forme améliorée de TDMA

qui combine TDMA avec les techniques d'ALOHA Encoché

Jusqu’à présent, il y a plusieurs réseaux de satellites modernes, par exemple, IRRDIUM, INMARSAT M, GLOBALSTAR, ODYSSEY, ICO, GPS Pour mieux comprendre les réseaux des satellites, on va voir le réseau GPS qui est un des réseaux des satellites les plus connus

Le Système de Positionnement Global (GPS) est une constellation de 24 satellites en orbite

autour de la terre Il rend possible aux personnes qui ont un récepteur GPS d’indiquer exactement leur endroit géographique Normalement, l’exactitude est de 10m à 100m pour la plupart des équipements L'exactitude peut être indiquée exactement au moins d'un mètre avec l'équipement spécial comme utilisé dans les organisations militaires Aujourd’hui, l'équipement GPS est largement répandu dans la science et est déjà devenu suffisamment peu cỏteux de sorte que presque n'importe qui puisse posséder un récepteur GPS

Figure 2-3 Système de Positionnement Globale

Le GPS est possédé et fonctionné par le Département de la Défense d’Etat-Unis mais maintenant, il est disponible pour l'usage général autour du monde Brièvement, ses caractéristiques sont comme les suivantes :

- 21 satellites de GPS et trois satellites superflus sont en orbite à 20.200 km dans 6 surfaces orbitaux plates au dessus de la terre Les satellites sont placés de sorte que de n’importe quel point sur la terre, quatre satellites sont en un horizon (figure 2.6)

- Chaque satellite contient un ordinateur, une horloge atomique, et une radio Avec une compréhension de sa propre orbite et de l'horloge, il annonce continuellement sa position et son temps changeants (une fois par jour, chaque satellite vérifie son propre sens de temps et sa position avec une station au sol et fait la correction mineure.)

- Sur la terre, n'importe quel récepteur GPS contient un ordinateur qui triangule sa propre position en obtenant les informations vient de trois des quatre satellites Le résultat est fourni sous la forme de position géographique (longitude et latitude), pour

la plupart des récepteurs, l’exactitude au moins de 100 m

- Si le récepteur est également équipé d'un écran de visualisation qui montre une carte,

la position peut être montrée sur la carte

- Si un quatrième satellite peut être reçu, le récepteur/computer peut montrer l'altitude aussi bien que la position géographique

- Si vous vous déplacez, votre récepteur peut également pouvoir calculer votre vitesse et

la direction du voyage et vous donner le temps estimé pour arriver aux destinations indiquées

Le GPS est employé dans la science et peut fournir les données qui n'ont jamais été disponibles auparavant Les scientifiques emploient le GPS pour mesurer le mouvement des feuilles arctiques de glace, des plats tectoniques de la terre, et de l'activité volcanique