- RENFORCEMENT DE LA SECURITE DES COMMUNICATIONS AERONAUTIQUES EN UTILISANT LA CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE. - I NTRODUCTION DE LA CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE. - CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE EN AIR LIBRE - RÉSEAU DE SATELLITES - RÉSEAU ATN ...9. - C RYPTOGRAPHIE Q UANTIQUE EN AIR LIBRE. - I NTÉGRATION DE LA CRYPTOGRAPHIE QUANTIQUE ET LES SATELLITES. - R ENFORCEMENT DE LA SÉCURITÉ DANS LE RÉSEAU ATN. - 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. - du réseau ATN. - 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. - Expériences du système en air-libre...10. - 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 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). - 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. - Introduction de la cryptographie quantique. - Pour résoudre ce problème, normalement, on utilise un système à clef publique, qui se base sur la difficulté mathématique de la factorisation d’un. - 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.. - Cryptographie Quantique en air libre - Réseau de Satellites - Réseau ATN. - Cryptographie Quantique en air libre. - Le progrès dans la technologie physique joue un rôle très important dans le développement de la Cryptographie Quantique (CQ). - 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. - Avec le progrès de la technologie, le résultat le plus récent d’un tel système est une distance de 23.4km [3]. - 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. - 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.. - 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.. - 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". - 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 dépit du progrès de la théorie de la CQ, les systèmes CQ en air libre ne sont pas populaires. - Expériences du système en air-libre. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - Les satellites de communication permettent aux transmissions de la radio, de la télévision, et de la téléphone d’être vivants à n'importe où dans le monde. - 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. - L'utilisation de la bande C. - La surface de la terre couverte par un faisceau de transmission d’une satellite est désigné sous le nom "empreinte de pas". - Orbite Basse De la Terre (LEO. - Orbite Moyenne De la Terre (MEO. - Quelques caractéristiques de 3 types satellites sont montrés dans le tableau 2.5.. - Couvrir 42.2% de la surface de la terre, vue constante Désavantages Durée de vie très. - 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. - Accès Multiple de la Division de Temps (TDMA. - 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. - Accès Multiple de la Réservation de Paquet (PRMA. - Le Système de Positionnement Global (GPS) est une constellation de 24 satellites en orbite autour de la terre. - 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. - 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 scientifiques emploient le GPS pour mesurer le mouvement des feuilles arctiques de glace, des plats tectoniques de la terre, et de l'activité volcanique.. - Communications sécurisées du réseau ATN. - Communications dans le réseau ATN. - Authentification de la source d'informations de cheminement Routeur ATN. - Cependant, le cadre de la sécurité d'ICAO nous permet de sécuriser l'information d'utilisateur car en effet, l'architecture de sécurité d'ATN est basée sur l'Infrastructure de Clef Publique (PKI).. - Dans le cadre de la sécurité du réseau ATN, quand un système sur l’avion, nommé AES, veut communiquer avec une application A/S à la station au sol, nommé GS, par exemple l’application CPDLC (1. - Intégration de la cryptographie quantique et les satellites. - Elle surmonte la limitation principale de la distance (environ de 100 km) de la technologie actuelle pour une liaison à fibre optique ou en air libre. - Cependant, l'expérience acquise peut servir le point de départ dans le développement des composants qualifiés requis pour les applications quantiques en air libre.. - Pour la transmission CQ en air libre basée sur les satellites, la difficulté principale viendrait de l’orientation du faisceau laser car les problèmes de la perturbation atmosphérique partent dans l'espace. - Nous pouvons remarquer que les paramètres principaux pour une transmission seront la longueur d'onde de laser, le débit transfert, le format de la modulation et la technique de réception. - A cause des largeurs très étroites du faisceau de la communication impliqué, le PAT demande des conceptions fortement sophistiqués et les matériels électro- mécaniques et électro-optiques répondant aux normes technologiques exceptionnelles. - Renforcement de la sécurité dans le réseau ATN. - Il est très important que n'importe quelle solution, n'importe quelle amélioration pour la sécurité de ATN doit être faite dans le cadre existant réel de l’ATN. - Comme nous avons vu, les inconvénients principaux de la technologie CQ viennent de la contrainte de distance (maximum de 130km pour une fibre optique et de 23km pour une liaison en air libre). - En revanche, un relais de données CQ est un ensemble des appareils qui sont capable à établir une communication sécurisée en utilisant la technologie CQ avec l'élément précédent de la chaîne et une autre communication sécurisée différente avec l'élément suivant de la chaîne. - Comme nous savons, un des inconvénients principaux du PKI dans le réseau ATN est la bande limitée des liens Air/Sol. - Normalement, le canal quantique choisi doit être un canal quantique en air libre parce que les avions sont dans le ciel. - Dans le cas de l'avion sur la terre, on peut utiliser les canaux à fibres au lieu des canaux en air libre si l'avion est câblé à l'infrastructure d'aéroport. - Avec le soutien de QCKI, un avion peut établir facilement une communication sécurisée avec les applications A/S fournis par le réseau ATN comme le scénario de base montré dans le tableau 3-1 sur la prochaine page.. - Selon les manières de l'arrangement du récepteur et de l'émetteur, aussi du type de sources de photon (source de photon simple ou source de paires intriquées de photon), nous pouvons imaginer les scénarios possibles suivants pour employer le QCKI dans le réseau ATN:. - Un laser vers basse employant le protocole BB84 à un récepteur sur la terre peut être employé pour exécuter la négociation de la clef partagée secrète, voir le figure 3.2 (a).. - C'est l'utilisation la plus intéressante de la technologie des paires de photons intriqués. - Dans le scénario le plus simple, la clef partagée secrète d’un AES et d’un GS peut être établie en dirigeant chacun des photons intriqués l'un vers l'AES et l’autre vers GS, voir le figure 3-5(a) dans la page suivante. - Remarque 2 : Avec nos connaissances actuelles sur le réseau ATN, nous pouvons constater que l'application de la technologie CQ n'impliquent aucun changement crucial dans le cadre des applications ATN A/S. - Ainsi, dans les applications S/S nous utilisons les solutions semblables à ceux employés pour sécuriser les communications sur l'Internet et profiterons de la technologie CQ dans la phase de distribution de clef secrète en utilisant QCKI au lieu des technologies classiques telles que le courrier confidentiel, l’échange de clef Diffie- Hellman, ou les algorithmes basés sur les clef publiques.. - Une exigence très importante de QCKI à fibre optique est la possibilité de la réutilisation de l’infrastructure des fibres optiques existantes, qui se compose des réseaux de communications optiques et des stations de relais optiques. - Un QCKI basé sur satellite peut surmonter la limitation principale de la technologie terre-à-terre.. - Il s’agit de la distance de 150km à fibre optique et de 23km en air libre. - Si ces dispositifs quantiques sont parfaits et normalisés, l'utilisation de la technologie CQ deviendra facile. - Avec la stratégie de la construction par accroissement, nous pouvons espérer que QCKI participera bientôt au réseau d'ATN.. - En effet, le mécanisme de base de la CQ n’est pas trop difficile comme on a pu imaginer au début. - En effet, il y a plusieurs chercheurs qui assurent que l’époque de la CQ, de l’ordinateur quantique va venir dans un futur proche. - Donc, nous devons prévoir les situations, les scénarios qui peut profiter les avantages de la CQ.. - J’ai abordé dans la chapitre 3.1 quelques aspects de l’intégration de la CQ dans les satellites, et dans le rapport de M. - Cependant, les expériences sont prévus très coûteux et ce n’est que les gouvernements qui peuvent pousser la mise en pratique de la CQ grâce à leur politique et leur investissement. - Toutefois, si on peut réaliser cette intégration, nous pouvons penser à un réseau sécurisé inconditionnel global car la sécurité de la mécanique quantique est inconditionnelle et inviolable.. - Nous avons vu les 6 scénarios prévus pour la mise en œuvre de la CQ dans les applications Air/Sol du réseau ATN. - Dans ce rapport, je n’ai présenté que ma contribution au rapport du projet « Renforcement de la sécurité des communications dans le réseau ATN. - Ce sont une solution pour la mise en œuvre de la CQ dans le réseau ATN et une proposition de construire, de façon très flexible, une infrastructure de distribution quantique de clef secrète. - Plus précisément, j’ai proposé un protocole et ses scénarios pour la mise en œuvre de la CQ dans le réseau ATN en se basant sur une analyse des capacités réelles des dispositifs quantiques et de la situation actuelle du réseau ATN. - Donc, nos résultats théoriques peuvent être considérés comme le point de départ dans les expériences requises pour les applications de la cryptographie quantique en air-libre