À partir du sol, les chercheurs ont mesuré des signaux laser provenant d'un satellite et traversant le potentiel gravitationnel de la Terre et l'atmosphère turbulente. La caractérisation réussie des caractéristiques quantiques dans de telles conditions est une condition préalable à la mise en œuvre d'un réseau mondial de communication quantique utilisant des satellites qui relieraient les réseaux quantiques de la zone métropolitaine au sol. Crédit :Image de la Terre :Google, photo du satellite :ESA
Dans une nouvelle étude, des chercheurs démontrent des mesures au sol d'états quantiques envoyées par un laser à bord d'un satellite 38, 000 kilomètres au-dessus de la Terre. C'est la première fois que des états quantiques sont mesurés aussi soigneusement de si loin.
"Nous avons été assez surpris par la façon dont les états quantiques ont survécu à travers la turbulence atmosphérique jusqu'à une station au sol, " a déclaré Christoph Marquardt de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière, Allemagne. "L'article démontre que la technologie sur les satellites, déjà à l'épreuve de l'espace contre des tests environnementaux sévères, peut être utilisé pour réaliser des mesures limitées quantiques, rendant ainsi possible un réseau de communication quantique par satellite. Cela réduit considérablement le temps de développement, ce qui signifie qu'il pourrait être possible d'avoir un tel système d'ici cinq ans."
Un réseau de chiffrement quantique par satellite fournirait un moyen extrêmement sûr de chiffrer les données envoyées sur de longues distances. Développer un tel système en seulement cinq ans est un délai extrêmement rapide puisque la plupart des satellites nécessitent environ 10 ans de développement. Normalement, chaque composant, des ordinateurs aux vis, doit être testé et approuvé pour fonctionner dans les conditions environnementales difficiles de l'espace et doit survivre aux changements gravitationnels rencontrés lors du lancement.
Marquardt et ses collègues de la division de Gerd Leuchs à l'Institut Max Planck à Erlangen rapportent leurs nouvelles recherches sur Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact.
Utiliser la lumière pour protéger les données
Aujourd'hui, des messages texte, les transactions bancaires et les informations de santé sont toutes cryptées avec des techniques basées sur des algorithmes mathématiques. Cette approche fonctionne car il est extrêmement difficile de déterminer l'algorithme exact utilisé pour chiffrer une donnée donnée. Cependant, Les experts pensent que des ordinateurs suffisamment puissants pour déchiffrer ces codes de cryptage seront probablement disponibles dans les 10 à 20 prochaines années.
La menace imminente pour la sécurité a accordé plus d'attention à la mise en œuvre de techniques de cryptage plus puissantes telles que la distribution de clés quantiques. Plutôt que de se fier aux mathématiques, La distribution de clés quantiques utilise les propriétés des particules légères connues sous le nom d'états quantiques pour coder et envoyer la clé nécessaire au décryptage des données codées. Si quelqu'un essaie de mesurer les particules légères pour voler la clé, il modifie le comportement des particules d'une manière qui alerte les parties communicantes prévues que la clé a été compromise et ne doit pas être utilisée. Le fait que ce système détecte les écoutes clandestines garantit une communication sécurisée.
Bien que les méthodes de cryptage quantique soient en développement depuis plus d'une décennie, ils ne fonctionnent pas sur de longues distances car les pertes lumineuses résiduelles dans les fibres optiques utilisées pour les réseaux de télécommunications au sol dégradent les signaux quantiques sensibles. Les signaux quantiques ne peuvent pas être également régénérés sans altérer leurs propriétés en faisant appel à des amplificateurs optiques comme cela se fait pour les données optiques classiques. Pour cette raison, il y a eu une poussée récente pour développer un réseau de communication quantique par satellite pour relier les réseaux de cryptage quantique au sol situés dans différentes zones métropolitaines, pays et continents.
Bien que les nouvelles découvertes aient montré que les réseaux de satellites de communication quantique n'ont pas besoin d'être conçus à partir de zéro, Marquardt note qu'il faudra encore 5 à 10 ans pour convertir les systèmes au sol en cryptage quantique pour communiquer les états quantiques avec les satellites.
Mesurer les états quantiques
Pour les expériences, L'équipe de Marquardt a travaillé en étroite collaboration avec la société de télécommunications par satellite Tesat-Spacecom GmbH et l'Administration spatiale allemande. L'Administration spatiale allemande avait précédemment passé un contrat avec Tesat-Spacecom au nom du ministère allemand de l'Économie et de l'Énergie pour développer une technologie de communication optique pour les satellites. Cette technologie est maintenant utilisée commercialement dans l'espace par des terminaux de communication laser à bord de Copernicus - le programme d'observation de la Terre de l'Union européenne - et par SpaceDataHighway, le système européen de relais de données par satellite.
Il s'est avéré que cette technologie de communication optique par satellite fonctionne un peu comme la méthode de distribution de clés quantiques développée à l'Institut Max Planck. Ainsi, les chercheurs ont décidé de voir s'il était possible de mesurer des états quantiques codés dans un faisceau laser envoyé depuis l'un des satellites déjà dans l'espace. En 2015 et début 2016, l'équipe a effectué ces mesures à partir d'une station au sol à l'observatoire du Teide à Tenerife, Espagne. Ils ont créé des états quantiques dans une plage où le satellite ne fonctionne normalement pas et ont pu effectuer des mesures limitées quantiques depuis le sol.
« D'après nos mesures, nous pourrions en déduire que la lumière descendant vers la Terre est très bien adaptée pour être exploitée comme un réseau de distribution de clés quantiques, " a déclaré Marquardt. " Nous avons été surpris parce que le système n'a pas été conçu pour cela. Les ingénieurs ont fait un excellent travail pour optimiser l'ensemble du système."
Les chercheurs travaillent maintenant avec Tesat-Spacecom et d'autres acteurs de l'industrie spatiale pour concevoir un système amélioré basé sur le matériel déjà utilisé dans l'espace. Cela nécessitera une mise à niveau de la conception de la communication laser, l'incorporation d'un générateur de nombres aléatoires à base quantique pour créer les clés aléatoires et l'intégration du post-traitement des clés.
« L'industrie spatiale et d'autres organisations sont très intéressées à mettre en œuvre nos découvertes scientifiques, " dit Marquardt. " Nous, en tant que scientifiques fondamentaux, travaillent maintenant avec des ingénieurs pour créer le meilleur système et s'assurer qu'aucun détail n'est négligé."
