Theoretical study of continuous-variable quantum key distribution

This thesis is concerned with quantum key distribution (QKD), a cryptographic primitive allowing two distant parties, Alice and Bob, to establish a secret key, in spite of the presence of a potential eavesdropper, Eve. Here, we focus on continuous-variable protocols, for which the information is coded in phase-space. The main advantage of these protocols is that their implementation only requires standard telecom components. The security of QKD lies on the laws of quantum physics: an eavesdropper will necessary induce some noise on the communication, therefore revealing her presence. A particularly difficult step of continuous-variable QKD protocols is the ''reconciliation'' where Alice and Bob use their classical measurement results to agree on a common bit string. We first develop an optimal reconciliation algorithm for the initial protocol, then introduce a new protocol for which the reconciliation problem is automatically taken care of thanks to a discrete modulation. Proving the security of continuous-variable QKD protocols is a challenging problem because these protocols are formally described in an infinite dimensional Hilbert space. A solution is to use all available symmetries of the protocols. In particular, we introduce and study a class of symmetries in phase space, which is particularly relevant for continuous-variable QKD. Finally, we consider finite size effects for these protocols. We especially analyse the influence of parameter estimation on the performance of continuous-variable QDK protocols.; Cette thèse porte sur la distribution quantique de clés, qui est une primitive cryptographique permettant à deux correspondants éloignés, Alice et Bob, d'établir une clé secrète commune malgré la présence potentielle d'un espion. On s'intéresse notamment aux protocoles " à variables continues " où Alice et Bob encodent l'information dans l'espace des phases. L'intérêt majeur de ces protocoles est qu'ils sont faciles à mettre en œuvre car ils ne requièrent que des composants télécom standards. La sécurité de ces protocoles repose sur les lois de la physique quantique : acquérir de l'information sur les données échangées par Alice et Bob induit nécessairement un bruit qui révèle la présence de l'espion. Une étape particulièrement délicate pour les protocoles à variables continues est la " réconciliation " durant laquelle Alice et Bob utilisent leurs résultats de mesure classiques pour se mettre d'accord sur une chaîne de bits identiques. Nous proposons d'abord un algorithme de réconciliation optimal pour le protocole initial, puis introduisons un nouveau protocole qui résout automatiquement le problème de la réconciliation grâce à l'emploi d'une modulation discrète. Parce que les protocoles à variables continues sont formellement décrits dans un espace de Hilbert de dimension infinie, prouver leur sécurité pose des problèmes mathématiques originaux. Nous nous intéressons d'abord à des symétries spécifiques de ces protocoles dans l'espace des phases. Ces symétries permettent de simplifier considérablement l'analyse de sécurité. Enfin, nous étudions l'influence des effets de tailles finies, tels que l'estimation du canal quantique, sur les performances des protocoles.