Une équipe conjointe sino-autrichienne a effectué une distribution de clés quantiques entre le satellite de science quantique Micius et plusieurs stations au sol situées à Xinglong (près de Pékin), Nanshan (près d'Urumqi), et Graz (près de Vienne). De telles expériences démontrent l'échange sécurisé satellite-sol de clés cryptographiques lors du passage du satellite Micius au-dessus d'une station au sol. Utiliser Micius comme relais de confiance, une clé secrète a été créée entre la Chine et l'Europe à des endroits séparés jusqu'à 7, 600 km sur Terre.

Les communications privées et sécurisées sont fondamentales pour l'utilisation d'Internet et le commerce électronique, et il est important d'établir un réseau sécurisé avec une protection globale des données. La cryptographie à clé publique traditionnelle repose généralement sur la complexité de calcul de certaines fonctions mathématiques. En revanche, La distribution de clés quantiques (QKD) utilise des quanta de lumière individuels (photons uniques) dans des états de superposition quantique pour garantir une sécurité inconditionnelle entre les parties distantes. Précédemment, la distance de communication quantique a été limitée à quelques centaines de kilomètres en raison des pertes de canaux optiques des fibres ou de l'espace libre terrestre. Une solution prometteuse à ce problème exploite les liaisons satellitaires et spatiales, qui peut facilement connecter deux points distants sur la Terre avec une perte de canal considérablement réduite, car la plupart du chemin de propagation des photons se fait dans l'espace vide avec une perte et une décohérence négligeables.

Une équipe pluridisciplinaire et multi-institutionnelle de scientifiques de l'Académie chinoise des sciences, dirigé par le professeur Jian-Wei Pan, a passé plus de 10 ans à développer un satellite sophistiqué, Micius, dédié aux expériences de science quantique, qui a été lancé en août 2016 et orbite à une altitude d'environ 500 km. Cinq stations au sol en Chine se coordonnent avec le satellite Micius. Ceux-ci sont situés à Xinglong (près de Pékin), Nanshan (près d'Urumqi), Delingha (37°22'44.43''N, 97°43'37.01"E), Lijiang (26°41'38.15''N, 100°1'45.55''E), et Ngari au Tibet (32°19'30.07''N, 80°1'34.18''E).

Moins d'un an après le lancement, trois étapes clés pour un Internet quantique à l'échelle mondiale ont été franchies :un QKD à l'état de leurre satellite-sol avec un taux de kHz sur une distance d'environ 1 200 km (Liao et al. 2017, Nature 549, 43); distribution d'enchevêtrement par satellite à deux endroits sur Terre séparés par ~ 1200 km et test de Bell (Yin et al. 2017, Sciences 356, 1140), et la téléportation quantique sol-satellite (Ren et al. 2017, Nature 549, 70). Les efficacités de liaison effectives dans le QKD par satellite ont été mesurées comme étant supérieures d'environ 20 ordres de grandeur à la transmission directe via des fibres optiques sur la même longueur de 1200 km. Les trois expériences sont les premières étapes vers un Internet quantique mondial basé sur l'espace.

Le QKD par satellite a maintenant été combiné avec des réseaux quantiques métropolitains, dans lequel les fibres sont utilisées pour connecter efficacement et commodément de nombreux utilisateurs à l'intérieur d'une ville sur une échelle de distance d'environ 100 km. Par exemple, la station Xinglong est désormais connectée au réseau quantique métropolitain multi-nœuds de Pékin via des fibres optiques. Très récemment, le plus grand backbone de communication quantique à base de fibre a été construit en Chine, également par l'équipe du professeur Pan, reliant Pékin à Shanghai (en passant par Jinan et Hefei, et 32 ​​relais de confiance) avec une longueur de fibre de 2000 km. L'épine dorsale est testée pour des applications réelles par le gouvernement, banques, sociétés de valeurs mobilières et d'assurances.

Le satellite Micius peut encore être exploité en tant que relais de confiance pour connecter facilement deux points quelconques sur Terre pour un échange de clés de haute sécurité. Pour démontrer davantage le satellite Micius en tant que plate-forme robuste pour la distribution de clés quantiques avec différentes stations au sol sur Terre, QKD du satellite Micius à la station au sol de Garz près de Vienne a également été réalisée avec succès en juin en collaboration avec le professeur Anton Zeilinger de l'Académie autrichienne des sciences. Le satellite établit ainsi une clé sécurisée entre lui-même et, dire, Xinglong, et une autre clé entre elle-même et, dire, Graz. Puis, sur demande des postes de commande au sol, Micius agit comme un relais de confiance. Il effectue des opérations OU exclusif au niveau du bit entre les deux clés et relaie le résultat à l'une des stations au sol. De cette façon, une clé secrète est créée entre la Chine et l'Europe à des endroits séparés de 7600 km sur Terre. Ce travail pointe vers une solution efficace pour un réseau quantique mondial à très longue distance.

Une photo de Micius (d'une taille de 5,34 ko) a été transmise de Pékin à Vienne, et une photo de Schrödinger (avec une taille de 4,9 kB) de Vienne à Pékin, à l'aide d'une clé quantique sécurisée d'environ 80 kbits pour l'encodage à usage unique.

Une visioconférence intercontinentale a également eu lieu entre l'Académie chinoise des sciences et l'Académie autrichienne des sciences, utilisant le protocole Advanced Encryption Standard (AES)-128 qui actualisait les clés de départ 128 bits toutes les secondes. La visioconférence a duré 75 min avec une transmission de données totale d'environ 2 Go, qui comprenait ? 560 kbit de la clé quantique échangée entre l'Autriche et la Chine. L'étude sera publiée dans Lettres d'examen physique .