NTIC a développé le plus petit et le plus léger émetteur de communication quantique (SOTA) au monde à bord du microsatellite SOCRATES. Nous avons réussi la démonstration de la première expérience de communication quantique depuis l'espace, recevoir des informations du satellite dans un régime à photon unique dans une station optique au sol dans la ville de Koganei. SOTA pèse 6 kg et sa taille est de 17,8 cm de longueur, 11,4 cm de largeur et 26,8 cm de hauteur. Il transmet un signal laser au sol à une vitesse de 10 millions de bits par seconde depuis une altitude de 600 km à une vitesse de 7 km/s. Nous avons réussi à détecter correctement le signal de communication de SOTA se déplaçant à cette vitesse rapide. Il s'agit d'une étape majeure vers la construction d'un réseau mondial de communication par satellite longue distance et véritablement sécurisé.

À la suite de cette recherche, Les NTIC ont démontré que la communication quantique par satellite peut être mise en œuvre avec de petits satellites à faible coût, qui permet d'utiliser cette technologie clé. C'est une réalisation qui ouvre une nouvelle page dans le développement des futurs réseaux de communication mondiaux et un grand coup de pouce à l'industrie spatiale.

Les résultats de cette recherche ont été acceptés pour publication dans Photonique de la nature .

Les technologies nécessaires pour lancer de petits satellites à faible coût ont énormément progressé au cours de ce siècle, et des efforts importants sont déployés pour développer des constellations de satellites afin d'obtenir un réseau de communication mondial couvrant l'ensemble de la Terre. Cependant, il existe un besoin pour une technologie capable de transmettre de grandes quantités d'informations de l'espace au sol en de courtes périodes de temps, et les bandes RF actuelles sont déjà encombrées, créant un goulot d'étranglement de la capacité de communication.

En utilisant des lasers, La communication optique par satellite a une bande de fréquence facilement disponible et peut transmettre avec une efficacité énergétique plus élevée et avec des terminaux plus petits et plus légers. Ainsi, il devrait s'agir d'une technologie clé pour soutenir les futurs réseaux de communication par satellite. Communication quantique, et plus précisément, La distribution de clés quantiques (QKD) est une autre technologie clé pour garantir la sécurité de l'information des prochains réseaux de communication mondiaux. Les liaisons QKD actuelles sont limitées à plusieurs centaines de km, la mise en œuvre du QKD satellite-sol est donc une étape fondamentale dans cette entreprise. La recherche QKD est activement menée au Japon, Chine, L'Europe , Canada et États-Unis (voir les renseignements supplémentaires sur les tendances récentes en recherche et développement). En août 2016, l'Université des sciences et technologies de Chine a lancé un grand satellite de communication quantique (635 kg) et réalisé une expérience d'intrication quantique avec deux stations au sol.

SOTA est l'émetteur de communication quantique le plus petit et le plus léger au monde (poids de 6 kg, 17,8 cm de longueur, 11,4 cm de largeur, et 26,8 cm de hauteur) embarqués sur le microsatellite SOCRATES (voir Fig. 1). SOTA a transmis deux états de polarisation, codage des zéros et des uns (voir Fig. 2a, b) au sol à raison de 10 millions de bits par seconde. Les signaux de SOTA ont été reçus à la station au sol optique NTIC dans la ville de Koganei à Tokyo à l'aide d'un télescope de 1 m (voir Fig. 2c) pour collecter les photons transmis et les guider vers le récepteur quantique (voir Fig. 2d), qui décodait les informations à l'aide d'un protocole QKD.

Le signal qui arrive au télescope de 1 m est extrêmement faible, avec une moyenne de 0,1 photon par impulsion reçue. NTIC a développé la technologie pour effectuer la synchronisation temporelle et la mise en correspondance du référentiel de polarisation entre le satellite et la station sol directement à partir des signaux QKD, ainsi qu'un récepteur quantique capable de détecter un signal aussi faible avec un faible bruit. Nous avons fait la démonstration de la première communication quantique au monde à partir d'un microsatellite de 50 kg. Cela permettra le développement de futurs liens sécurisés depuis l'espace via la cryptographie quantique pour empêcher complètement les fuites d'informations.

La technologie développée dans ce projet a démontré que la communication quantique par satellite peut être mise en œuvre en utilisant des microsatellites légers et peu coûteux. Par conséquent, on s'attend à ce que de nombreux instituts de recherche et entreprises intéressés par cette technologie accélèrent l'application pratique de la communication quantique depuis l'espace. En outre, puisqu'il a été prouvé que la communication longue distance est possible avec une très faible puissance électrique, cela ouvrira la voie pour accélérer la communication optique dans l'espace lointain avec les engins spatiaux d'exploration.

À l'avenir, nous prévoyons d'augmenter encore la vitesse de transmission et d'améliorer la précision de la technologie de suivi afin de maximiser la livraison sécurisée des clés de l'espace au sol en utilisant la cryptographie quantique permettant un réseau de communication mondial vraiment sécurisé, dont la confidentialité est actuellement menacée par le développement prochain des ordinateurs quantiques.

Les technologies nécessaires pour lancer de petits satellites à faible coût ont énormément progressé ces dernières années, et en lançant un grand nombre de satellites en orbite terrestre basse, des réseaux de communication mondiaux couvrant l'ensemble de la Terre sous la forme de constellations de satellites deviennent une réalité. Ces constellations devront traiter une énorme quantité de données à transférer vers la Terre dans de courts laps de temps (puisque le passage typique d'un satellite LEO est de plusieurs minutes). En outre, la technologie RF devient obsolète et le spectre radio encombré. La communication optique par satellite a un spectre facilement disponible et le potentiel d'augmenter la quantité de données transmises tout en réduisant la puissance, masse et poids des bornes.

La communication spatiale par laser a été démontrée dans de nombreuses missions, principalement au Japon, Europe et les États-Unis en mai 2014, NTIC a développé un petit terminal de communication laser (SOTA) et l'a lancé à bord du microsatellite SOCRATES sur une orbite héliosynchrone de 600 km. NTIC a réalisé avec succès une variété d'expériences de communication laser, et depuis 2016, une nouvelle campagne d'expériences de communication quantique a été menée.

La communication quantique est une technologie essentielle pour réaliser la cryptographie quantique, qui peut complètement protéger l'échange de clés cryptographiques de toute fuite d'informations. Les satellites peuvent considérablement augmenter la portée des liaisons QKD car les pertes sont plus faibles que lors de l'utilisation de fibres optiques, qui est généralement limité à environ 200 km, permettant les échanges intercontinentaux de clés secrètes.

En août 2016, l'Université des sciences et technologies de Chine a lancé un grand satellite de communication quantique (635 kg) et réalisé une expérience d'intrication quantique avec deux stations au sol (J. Yin et al., Science, 356(6343), juin 2017). L'équipe chinoise mène également des expériences de cryptographie quantique à l'échelle intercontinentale à l'aide de ce satellite (E. Gibney, La nature , 535, 2016).

La communication laser par satellite et la communication quantique sont des technologies émergentes avec un grand potentiel dans les futurs réseaux de communication à l'échelle mondiale, et ils attirent beaucoup d'attention de la part de nombreuses institutions de recherche importantes dans le monde entier.

La plupart des photons SOTA transmis sont perdus avant d'atteindre le récepteur en raison de la divergence du faisceau laser et de l'ouverture limitée du télescope pour recueillir les photons. En outre, de nombreux photons sont dispersés et absorbés dans l'atmosphère. Par conséquent, le signal arrivant à l'OGS est extrêmement faible, transportant en moyenne moins de 0,1 photon par impulsion. Étant donné que de tels signaux faibles ne peuvent pas être détectés via des photodétecteurs conventionnels, le récepteur quantique utilisait des détecteurs extrêmement sensibles appelés compteurs de photons capables de détecter des photons uniques. Cela permet une communication plus efficace que la communication optique par satellite conventionnelle. Aussi, en utilisant des signaux avec moins d'un photon par impulsion, la cryptographie quantique permet de détecter la présence d'un indiscret, qui permet de délivrer des clés secrètes de manière confidentielle.

Afin de réaliser la communication quantique et la cryptographie quantique avec un signal aussi faible, une étape clé consiste à horodater avec précision les signaux afin qu'ils soient clairement reconnus dans le récepteur quantique. Par conséquent, il est nécessaire de synchroniser précisément les signaux entre SOCRATES et l'OGS pour détecter les bits transmis sans erreur. Il est également nécessaire de réaliser une adaptation polarisation-axe, car les référentiels changent en raison du mouvement relatif entre le satellite et la station au sol. Seuls le Japon et la Chine ont pu démontrer ces technologies dans l'espace, mais la Chine l'a fait en utilisant un satellite de classe 600 kg, tandis que le Japon l'a fait en utilisant un satellite de classe 50 kg.

Le satellite se déplaçant à grande vitesse par rapport à l'OGS (environ 7 km/s), la longueur d'onde du signal laser Doppler décalée vers une longueur d'onde plus courte à l'approche de l'OGS, et à une longueur d'onde plus longue en s'éloignant de l'OGS. En raison de l'effet Doppler, il est nécessaire d'effectuer une synchronisation temporelle précise pour détecter correctement les longues séquences de bits sans erreurs. Dans l'expérience de communication quantique en Chine, cette synchronisation a été réalisée en utilisant un laser dédié transmettant un signal de synchronisation. Par contre, Les NTIC ont pu réaliser cette synchronisation en utilisant le signal quantique lui-même. Une séquence de synchronisation spéciale d'environ 32, 000 bits a été utilisé dans le signal de communication quantique à cette fin, et le récepteur quantique a pu effectuer non seulement la communication quantique, mais aussi la synchronisation et l'axe de polarisation correspondant directement, en utilisant uniquement le signal quantique faible. Dans cette expérience, Les NTIC ont réussi à démontrer pour la première fois que la technologie de communication quantique peut être mise en œuvre dans de petits satellites.

La figure 4 montre l'orbite SOCRATE, ainsi que le calcul du décalage Doppler et la mesure de l'expérience menée le 5 août, 2016. Comme le montre la figure 4a, SOCRATES a survolé l'océan Pacifique du sud au nord et a atteint la distance la plus proche de 744 km de la station optique au sol NTIC à 22:59:41, heure du Japon. Une liaison de communication a été établie pendant deux minutes et 15 secondes à peu près à ce moment-là. La figure 4b montre la valeur théorique du décalage Doppler prédit à partir des informations d'orbite SOCRATES, et la figure 4c montre la valeur expérimentale. La valeur observée du décalage Doppler a montré un bon accord avec la théorie, et le changement de fréquence dû au décalage Doppler a pu être corrigé avec précision. Sur la base de cette correction de fréquence, la synchronisation temporelle entre le satellite et la station au sol a été établie en corrigeant avec précision le changement de l'intervalle de temps des photons provenant de SOCRATES chaque seconde.

Après avoir établi la synchronisation de l'heure, le signal photonique est transformé en zéros et en uns numériques. Cependant, en raison du décalage de la position du bit, il est encore nécessaire de faire correspondre la séquence de bits transmise par SOTA avec la séquence de bits reçue à l'OGS. Comme le montre la figure 5, en analysant la corrélation croisée de la séquence de synchronisation d'environ 32, 000 bits, ce match a pu être effectué avec succès. La figure 5b montre le pic de corrélation au 29, 656ème bit, ce qui signifie que cela est considéré comme l'origine dans l'OGS, afin que la séquence puisse être correctement décodée.

La figure 6 montre un exemple d'histogramme de la série de photons détectés par le récepteur quantique. Les signaux Tx2 et Tx3 montrent les photons transmis par SOTA et l'histogramme montre comment les photons détectés sont liés au signal d'origine. Cela démontre que la synchronisation pourrait être établie avec précision en utilisant directement le signal quantique, même en présence de pertes importantes.

Puisque SOCRATES se déplace par rapport à la station au sol, le référentiel de polarisation entre le SOTA et l'OGS est en constante évolution. Pour qu'un lien de communication quantique s'établisse correctement, le référentiel de polarisation doit être le même. Si ce changement relatif n'est pas corrigé, les états de polarisation correspondant aux zéros et aux uns ne peuvent pas être identifiés avec précision. La figure 7 montre l'angle de polarisation prédit des photons transmis par SOTA pour les zéros et les uns, ainsi que les angles mesurés, parvenir à un bon accord entre les deux. La prédiction théorique a été calculée en utilisant les informations orbitales de SOCRATES, ainsi que son changement d'attitude lors du passage au-dessus du Japon. En faisant correspondre le référentiel, un taux d'erreur quantique sur les bits aussi bas que 3,7 pour cent a pu être mesuré. Cela démontre que la communication quantique est réalisable depuis l'espace, puisqu'il est inférieur à 10 %, fréquemment utilisé comme condition de sécurisation de la cryptographie quantique. Il s'agit de la première démonstration de ce type utilisant un microsatellite de classe 50 kg.