Pour la première fois, des chercheurs ont envoyé un message sécurisé quantique contenant plus d'un bit d'information par photon dans les airs au-dessus d'une ville. La démonstration a montré qu'il pourrait un jour être pratique d'utiliser de la haute capacité, communication quantique en espace libre pour créer un lien hautement sécurisé entre les réseaux au sol et les satellites, une exigence pour la création d'un réseau mondial de chiffrement quantique.

Le cryptage quantique utilise des photons pour coder des informations sous forme de bits quantiques. Dans sa forme la plus simple, connu sous le nom de cryptage 2D, chaque photon code un bit :soit un un, soit un zéro. Les scientifiques ont montré qu'un seul photon peut coder encore plus d'informations - un concept connu sous le nom de cryptage quantique à haute dimension - mais jusqu'à présent, cela n'a jamais été démontré avec la communication optique en espace libre dans des conditions réelles. Avec huit bits nécessaires pour encoder une seule lettre, par exemple, emballer plus d'informations dans chaque photon accélérerait considérablement la transmission des données.

"Notre travail est le premier à envoyer des messages de manière sécurisée en utilisant un cryptage quantique de haute dimension dans des conditions urbaines réalistes, y compris les turbulences, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche, Ebrahim Karimi, Université d'Ottawa, Canada. "Le sécurisé, système de communication en espace libre que nous avons démontré pourrait potentiellement relier la Terre aux satellites, connecter en toute sécurité les endroits où il est trop coûteux d'installer la fibre, ou être utilisé pour une communication cryptée avec un objet en mouvement, comme un avion."

Comme détaillé dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, les chercheurs ont démontré le cryptage quantique 4D sur un réseau optique en espace libre couvrant deux bâtiments distants de 0,3 km à l'Université d'Ottawa. Ce schéma de cryptage de grande dimension est appelé 4D car chaque photon code deux bits d'information, qui offre les quatre possibilités de 01, dix, 00 ou 11.

En plus d'envoyer plus d'informations par photon, le chiffrement quantique de grande dimension peut également tolérer davantage de bruit obscurcissant le signal avant que la transmission ne devienne non sécurisée. Le bruit peut provenir de l'air turbulent, électronique défaillante, détecteurs qui ne fonctionnent pas correctement et des tentatives d'interception des données. "Ce seuil de bruit plus élevé signifie que lorsque le cryptage quantique 2D échoue, vous pouvez essayer d'implémenter 4D car il, en principe, est plus sûr et plus résistant au bruit, " dit Karimi.

Utiliser la lumière pour le cryptage

Aujourd'hui, des algorithmes mathématiques sont utilisés pour crypter les messages texte, opérations bancaires et informations de santé. Intercepter ces messages cryptés nécessite de déterminer l'algorithme exact utilisé pour crypter une donnée donnée, un exploit qui est difficile maintenant, mais qui devrait devenir plus facile au cours de la prochaine décennie à mesure que les ordinateurs deviendront plus puissants.

Étant donné que les algorithmes actuels pourraient ne pas fonctionner aussi bien à l'avenir, une plus grande attention est accordée aux techniques de cryptage plus fortes telles que la distribution de clés quantiques, qui 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.

Bien que le cryptage quantique câblé et en espace libre ait été déployé sur certains petits, réseaux locaux, sa mise en œuvre à l'échelle mondiale nécessitera l'envoi de messages cryptés entre les stations au sol et les réseaux de communication quantique par satellite qui relieraient les villes et les pays. Des tests horizontaux dans l'air peuvent être utilisés pour simuler l'envoi de signaux aux satellites, avec environ trois kilomètres horizontaux équivalant à peu près à envoyer le signal à travers l'atmosphère terrestre à un satellite.

Avant d'essayer un essai de trois kilomètres, les chercheurs voulaient voir s'il était même possible d'effectuer un cryptage quantique 4D à l'extérieur. Cela a été pensé pour être si difficile que certains autres scientifiques dans le domaine ont déclaré que l'expérience ne fonctionnerait pas. L'un des principaux problèmes rencontrés lors de toute expérience en espace libre est de gérer la turbulence de l'air, qui déforme le signal optique.

Tests en conditions réelles

Pour les épreuves, les chercheurs ont amené leurs installations optiques de laboratoire sur deux toits différents et les ont recouverts de caisses en bois pour les protéger des éléments. Après de nombreux essais et erreurs, ils ont réussi à envoyer des messages sécurisés avec le cryptage quantique 4D sur leur lien intra-urbain. Les messages présentaient un taux d'erreur de 11 %, inférieur au seuil de 19 % requis pour maintenir une connexion sécurisée. Ils ont également comparé le cryptage 4D avec le 2D, constatant que, après correction d'erreur, ils pourraient transmettre 1,6 fois plus d'informations par photon avec le cryptage quantique 4D, même avec des turbulences.

« Après avoir apporté du matériel qui serait normalement utilisé dans un endroit propre, environnement de laboratoire isolé à un toit qui est exposé aux éléments et n'a pas d'isolation vibratoire, c'était très gratifiant de voir des résultats montrant que nous pouvions transmettre des données sécurisées, " dit Alicia Sit, un étudiant de premier cycle dans le laboratoire de Karimi.

Comme prochaine étape, les chercheurs prévoient de mettre en œuvre leur projet dans un réseau qui comprend trois liaisons distantes d'environ 5,6 kilomètres et qui utilise une technologie connue sous le nom d'optique adaptative pour compenser les turbulences. Finalement, ils veulent lier ce réseau à celui qui existe maintenant dans la ville. "Notre objectif à long terme est de mettre en place un réseau de communication quantique à liaisons multiples mais utilisant plus de quatre dimensions tout en essayant de contourner les turbulences, " dit Sit.