Une nouvelle étude propose d’utiliser des sources de photons uniques basées sur satellite comme moyen de transmission sécurisée d’informations sur de grandes distances. Cette recherche promet non seulement une communication impossible à pirater, mais ouvre également la porte à l’exploration des lois fondamentales de la mécanique quantique et à l’exploration des effets quantiques dans la gravité.
« Le résultat le plus significatif de ce travail est une architecture quantique universelle utilisant une véritable source compacte de photons uniques pour les réseaux quantiques par satellite », a déclaré Tobias Vogl, professeur d’ingénierie des systèmes de communication quantique à l’Université Friedrich Schiller en Allemagne et auteur principal de l’étude, dans un e-mail. “Bien que cette conception démontre la capacité de notre source de photons à émettre des photons uniques dans l’espace, elle nous permet également de tester un postulat fondamental de la mécanique quantique.”
La mécanique quantique permet une communication sécurisée
Dans le domaine des sciences de la communication, la distribution de clés quantiques constitue une frontière qui progresse rapidement. Il permet la transmission d’une clé de cryptage entre deux parties de manière insensible aux écoutes clandestines.
“Pour la distribution de clés quantiques, on code les informations dans [quantum states of single photons]», a expliqué Vogl. “Les lois de la physique quantique stipulent qu’il est impossible de copier ce photon unique, et également impossible de lire l’information sans la modifier, ce qui rend toute écoute mesurable.”
Pour que cette méthode de cryptage soit efficace, il est impératif que les photons porteurs d’informations soient émis un par un. Si plusieurs photons dans le même état sont émis simultanément, l’interception par une écoute indiscrète pourrait passer inaperçue, compromettant la sécurité. Mais créer un photon unique distinct d’une source de lumière cohérente constitue un formidable défi en raison de la nature fondamentale de la lumière et des limites de la mécanique quantique.
De nombreuses technologies avancées sont utilisées pour y parvenir, notamment les points quantiques et les atomes uniques. Mais Vogl pointe du doigt un matériau connu sous le nom de nitrure de bore, qui émet des photons uniques en raison de la présence de défauts dans sa structure – ceux-ci servent d’émetteurs quantiques localisés lorsqu’ils sont manipulés et excités de manière appropriée.
“Le nitrure de bore hexagonal est un matériau bidimensionnel composé d’azote et de bore”, a déclaré Vogl. « La structure vierge est un isolant ordinaire sans émission de lumière (visible) ; cependant, sa structure présentant un défaut peut probablement émettre un photon à la fois. Cela est dû au défaut introduisant des niveaux d’énergie supplémentaires dans la structure électronique du cristal, qui ne peut être excité qu’une seule fois et, par conséquent, n’émet qu’un seul photon à la fois.
Les satellites à la rescousse
Pourtant, même avec une source de photons uniques robuste comme le nitrure de bore, la transmission de photons uniques sur de longues distances à l’aide de dispositifs au sol constitue un défi.
“Le fait qu’aucun indiscret ne puisse copier le quantum [photon] Les états impliquent également que nous ne pouvons pas copier les états quantiques », a-t-il expliqué. « Cela signifie que nous ne pouvons pas amplifier le signal s’il est transmis sur de longues distances, ce qui est associé à un amortissement important du signal. Dans les fibres optiques par exemple, les pertes augmentent de façon exponentielle avec la distance.
Pour contourner ce problème, Vogl et son équipe de chercheurs proposent de déployer des sources de photons uniques sur les satellites.
“L’atmosphère devient si mince au-dessus d’environ 10 km d’altitude qu’il n’y a plus de pertes significatives”, a déclaré Vogl. « Par conséquent, en utilisant des satellites, nous pouvons transmettre des états de photons uniques sur des distances beaucoup plus longues. L’objectif est à terme de parvenir à un Internet quantique mondial.
L’équipe travaille actuellement sur la mission spatiale QUICK3, qui vise à valider le matériel nécessaire au développement futur d’un réseau quantique fonctionnel par satellite.
“QUICK3 signifie QUantum photonIsChe Komponenten für sichere Kommunikation mit Kleinsatelliten (composants photoniques quantiques pour une communication sécurisée avec les petits satellites)”, a déclaré Vogl. «Il vise à développer le matériel nécessaire à une liaison quantique par satellite. La charge utile se compose d’un système laser d’excitation, d’une source de photons uniques basée sur un défaut fluorescent dans le matériau 2D nitrure de bore hexagonal, d’un interféromètre quantique et de détecteurs de photons uniques.
“Après avoir intégré tous les composants sur un petit satellite, notre mission QUICK3 évaluera leur fonctionnalité dans l’espace sur un CubeSat 3U (un petit satellite d’environ 3,5 litres de volume)”, a-t-il poursuivi. « Une constellation de satellites équipés du matériel développé dans le cadre de la mission QUICK³ pourrait servir de colonne vertébrale à un Internet quantique. Le lancement était initialement prévu pour 2024 mais a désormais été reporté à 2025. »
Même si la mission QUICK3 devrait fournir des données précieuses, le matériel à tester ne sera pas immédiatement déployable pour une véritable communication quantique. Par exemple, le détecteur à photon unique sera logé à l’intérieur du satellite plutôt qu’au sol, ce qui est nécessaire pour le réseau quantique lui-même.
Pour réaliser des communications quantiques par satellite, les limitations des équipements existants doivent être prises en compte. Par exemple, la source de photons doit être plus puissante et plus directionnelle.
“Notre mission consiste principalement à faire un démonstrateur technologique et à tester des composants”, a expliqué Vogl. « Le satellite ne peut pas encore établir un véritable lien de distribution de clés quantiques. Après une mission réussie, nous planifions une mission de suivi démontrant la distribution de clés quantiques entre le satellite et une station au sol à l’aide de nos composants.
“Nous construisons actuellement un réseau quantique local à l’Université technique de Munich, essentiellement limité à la zone métropolitaine de Munich”, a-t-il ajouté. « Des réseaux similaires sont actuellement établis partout dans le monde, par exemple dans d’autres villes d’Allemagne, de Singapour, de Chine, des États-Unis, du Canada et du Royaume-Uni, pour n’en citer que quelques-unes. Avec notre satellite, nous pourrions connecter notre réseau local aux autres réseaux locaux et franchir une étape importante vers l’Internet quantique.
Sonder les fondamentaux de la mécanique quantique
En plus de faciliter une communication sécurisée, QUICK3 offre une opportunité unique d’étudier les principes fondamentaux de la mécanique quantique en étudiant les processus impliquant l’émission, la propagation et la détection de photons uniques dans l’espace tout en les comparant aux conditions terrestres.
Ces études peuvent également fournir des informations importantes sur les mystères de la gravité quantique, qui ont été jusqu’à présent difficiles à étudier en raison de la très faible interaction des particules élémentaires avec les champs gravitationnels.
“L’un des Saint Graal de la physique est la combinaison de la gravité et de la physique quantique, qui s’est avérée jusqu’à présent difficile”, a conclu Vogl. « Certaines de ces tentatives de théories de la gravité quantique prédisent une modification de notre théorie quantique standard. C’est en substance ce que nous testons, en réalisant une double expérience au sol et sur satellite à l’aide d’un interféromètre quantique. S’il y a un couplage dû à un champ gravitationnel, nos expériences le révéleront.
Références : En particulier Ahmadi, et al, QUICK3 – Conception d’une source de lumière quantique par satellite pour la communication quantique et les tests étendus de théorie physique dans l’espace, Technologies quantiques avancées (2024). DOI : 10.1002/qute.202300343
Crédit image vedette : Geralt sur Pixabay
2024-02-15 11:09:22
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