Les chercheurs rapportent une démonstration expérimentale d'un réseau de distribution de clé quantique (QKD) espace-sol utilisant un terminal QKD compact à bord du laboratoire spatial chinois Tiangong-2 et de quatre stations au sol. Le nouveau système QKD représente moins de la moitié du poids du système développé par les chercheurs pour le satellite Micius, qui a été utilisé pour effectuer la première téléconférence virtuelle à cryptage quantique au monde.

La démonstration représente une étape importante vers un QKD pratique basé sur des constellations de petits satellites, une configuration considérée comme l'une des voies les plus prometteuses pour créer un réseau mondial de communication quantique.

« QKD offre une sécurité inconditionnelle en utilisant des photons uniques pour coder les informations entre deux terminaux distants », a déclaré Cheng-Zhi Peng, membre de l'équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de Chine. "Le système compact que nous avons développé peut réduire le coût de mise en œuvre de QKD en permettant d'utiliser de petits satellites."

Peng et des chercheurs d'autres institutions en Chine décrivent leur nouveau système et les résultats expérimentaux dans Optica . Ils ont également découvert que les performances QKD pouvaient être améliorées en construisant un réseau de satellites en orbite à différents angles ou inclinaisons par rapport à l'équateur.

"Notre nouveau travail démontre la faisabilité d'un réseau QKD espace-sol basé sur une charge utile de satellite compacte combinée à des constellations de satellites avec différents types d'orbite", a déclaré Peng. "Dans un avenir proche, ce type de système QKD pourrait être utilisé dans des applications nécessitant une haute sécurité telles que les affaires gouvernementales, la diplomatie et la finance."

Réduire le système QKD

QKD utilise les propriétés quantiques de la lumière pour générer des clés aléatoires sécurisées pour chiffrer et déchiffrer les données. Dans des travaux antérieurs, le groupe de recherche a fait la démonstration de QKD satellite-sol et de réseaux quantiques intercontinentaux relayés par satellite utilisant le satellite Micius. Cependant, le système QKD utilisé à bord de ce satellite était encombrant et coûteux. De la taille d'un grand réfrigérateur, le système pesait environ 130 kg et nécessitait 130 W de puissance.

Dans le cadre du plan de constellation quantique de la Chine, les chercheurs ont cherché à développer et à démontrer un réseau QKD espace-sol plus pratique. Pour ce faire, ils ont développé une charge utile compacte qui a permis au Tiangong-2 Space Lab d'agir comme un terminal satellite QKD. La charge utile QKD, composée d'un système de suivi, d'un émetteur QKD et d'un émetteur de communication laser, pesait environ 60 kg, nécessitait une puissance de 80 W et mesurait environ la taille de deux fours à micro-ondes.

"Cette charge utile a été aussi intégrée que possible pour réduire le volume, le poids et le coût tout en atteignant les hautes performances nécessaires pour prendre en charge les expériences QKD espace-sol", a déclaré Peng. "Il devait également être très durable pour résister à des conditions difficiles telles que les fortes vibrations subies lors du lancement et l'environnement de vide thermique extrême de l'espace."

Les chercheurs ont réalisé un total de 19 expériences QKD au cours desquelles des clés sécurisées ont été distribuées avec succès entre le terminal Space Lab et quatre stations au sol sur 15 jours différents entre octobre 2018 et février 2019. Ces expériences ont été menées la nuit pour éviter l'influence du bruit de fond de la lumière du jour. .

Les chercheurs ont découvert que l'orbite d'inclinaison moyenne (~ 42 °) du laboratoire spatial permettait plusieurs passages au-dessus d'une seule station au sol en une nuit, ce qui augmentait le nombre de clés pouvant être générées. Ils ont également construit un modèle pour comparer les performances des réseaux QKD par satellite avec différents types d'orbites. Ils ont constaté que la combinaison de satellites avec une orbite à inclinaison moyenne comme le laboratoire spatial avec une orbite héliosynchrone qui se déplace au-dessus des régions polaires permet d'obtenir les meilleures performances.

Étapes suivantes

Les chercheurs travaillent actuellement à améliorer leur système QKD en augmentant la vitesse et les performances du système QKD, en réduisant les coûts et en explorant la faisabilité de la transmission QKD satellite-sol de jour. "Ces améliorations permettraient de créer une constellation quantique pratique en lançant plusieurs satellites en orbite basse", a déclaré Peng. "La constellation pourrait être combinée avec un satellite quantique en orbite moyenne à haute et des réseaux QKD basés sur la fibre au sol pour créer un réseau quantique intégré espace-sol."

Bien que ne faisant pas partie de ces travaux, un satellite quantique encore plus petit développé par le Laboratoire national Hefei et l'Université des sciences et technologies de Chine et d'autres instituts de recherche en Chine a été lancé avec succès dans l'espace le 27 juillet. Ce satellite, connu sous le nom de micro/nano satellite , pèse environ un sixième du poids du satellite Micius et contient un système QKD d'environ un tiers de la taille de celui démontré dans Optica papier. Ce satellite est conçu pour réaliser des expériences QKD satellite-sol en temps réel, ce qui représente une autre étape importante vers des constellations de satellites quantiques pratiques et à faible coût. + Explorer plus loin

Le premier réseau de communication quantique intégré au monde