Une figure conceptuelle de l'expérience MDI-QKD dans une ville. Les télescopes sont situés dans des immeubles de grande hauteur pour transmettre des photons codés. Les turbulences de l'atmosphère, qui existe partout dans le canal de transmission, est le principal défi pour les photons de maintenir le mode spatial dans le terminal de détection. Crédit :Yao Zheng/Micius Salon.
La distribution de clés quantiques (QKD) est une technique qui permet des communications sécurisées entre des appareils à l'aide d'un protocole cryptographique basé en partie sur la mécanique quantique. Cette méthode de communication permet finalement à deux parties de chiffrer et de déchiffrer les messages qu'elles s'envoient à l'aide d'une clé unique inconnue des autres parties.
La distribution de clés quantiques indépendantes des appareils de mesure (MDI-QKD) est un protocole unique qui facilite la création de réseaux QKD plus sécurisés avec des appareils non fiables. Ce protocole peut permettre une communication basée sur QKD sur de plus longues distances, ainsi que des taux de production clés plus élevés et une vérification du réseau plus fiable.
Jusque là, MDI-QKD n'a été implémenté avec succès qu'à l'aide de fibres optiques. Implémentation du protocole sur les canaux en espace libre, d'autre part, s'est avéré considérablement difficile.
Un groupe de recherche dirigé par Jian-Wei Pan, de l'Université des sciences et technologies de Chine, a récemment démontré pour la toute première fois le MDI-QKD longue distance et sécurisé sur un canal en espace libre. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , pourrait ouvrir la voie à des implémentations MDI-QKD par satellite.
« L'objectif final de QKD est de réaliser un réseau de communication quantique sécurisé à l'échelle mondiale, " Qiang Zhang, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Pour atteindre cet objectif ambitieux, deux défis principaux doivent être relevés. L'un est de réduire l'écart entre la théorie et la pratique du QKD, et l'autre est d'étendre la distance de QKD. Le but de nos récents travaux était de résoudre ces deux difficultés."
Théoriquement, QKD offre une plus grande sécurité dans les communications en s'appuyant sur les lois de la physique. Cependant, les imperfections et les vulnérabilités des appareils réels pourraient entraîner des écarts par rapport aux modèles utilisés pour effectuer les analyses de sécurité. Le protocole MDI-QKD peut aider à relever ce défi en comblant toutes les failles lors de la détection à la fois. De plus, il peut améliorer les performances et la sécurité des implémentations QKD sur des appareils réels, en incluant des états leurres.
Les implémentations QKD par satellite pourraient étendre la distance sur laquelle cette communication sécurisée peut avoir lieu, car ils permettraient des pertes de transmission plus faibles et une décohérence négligeable dans l'espace. En étendant MDI-QKD de la fibre optique aux canaux en espace libre, le travail de Pan et de ses collègues pourrait être une première étape vers la mise en œuvre des protocoles MDI-QKD à grande échelle à l'aide de satellites.
Configurations possibles de MDI-QKD par satellite. (a) le satellite joue le rôle de terminal de détection, tandis que deux stations au sol envoient des photons via la liaison montante vers le satellite. (b) Une station au sol joue le rôle de terminal de détection. Les utilisateurs du réseau terrestre à fibres optiques partagent des clés secrètes avec le satellite via la station au sol. (c) MDI-QKD entre trois satellites. Crédit :Cao et al.
"Bien que plusieurs expériences MDI-QKD à base de fibres aient été réalisées avant notre étude, aucun d'entre eux n'a démontré la faisabilité du protocole avec un canal en espace libre, " a déclaré Zhang. " La raison principale est que la fluctuation d'amplitude et de phase induite par la turbulence atmosphérique rend difficile le maintien de l'indiscernabilité en termes de spatial, la synchronisation et les modes spectraux entre les photons indépendants."
Comme la turbulence atmosphérique détruit généralement le mode spatial entre les photons indépendants, Les implémentations MDI-QKD nécessitent généralement l'utilisation d'une fibre monomode pour effectuer un filtrage spatial avant d'appliquer des techniques d'interférométrie. En utilisant la fibre monomode pour coupler des photons, cependant, conduit généralement à une faible efficacité de couplage et à une fluctuation d'intensité. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un nouveau système d'optique adaptative qui améliore l'efficacité globale du canal.
"Comme la fluctuation rapide de l'intensité lumineuse rend difficile le partage de la référence temps-fréquence, nous avons développé de nouvelles technologies pour obtenir une synchronisation temporelle et un verrouillage de fréquence de haute précision entre des sources de photons indépendantes situées loin les unes des autres afin de maintenir l'indiscernabilité des modes temporels et spectraux, " a expliqué Zhang. " Grâce à ces avancées techniques, nous avons accompli une tâche qui semblait impossible à accomplir auparavant."
L'étude est une étape importante sur la voie de la mise en œuvre de QKD à grande échelle et de son utilisation pour sécuriser les communications sur de plus longues distances. De plus, les chercheurs ont été les premiers à réaliser des interférences photoniques dans les canaux atmosphériques à longue distance. Cela pourrait ouvrir des possibilités intéressantes pour le développement de types complexes de traitement de l'information quantique impliquant des interférences quantiques, tels que l'échange d'intrication quantique et la téléportation quantique. Il pourrait également offrir de nouvelles façons de tester l'interface de la mécanique quantique et de la gravité.
L'objectif à long terme des chercheurs est de démontrer le MDI-QKD par satellite et, à terme, de construire un réseau quantique mondial. Pour y parvenir, cependant, ils devront d'abord surmonter un certain nombre de défis supplémentaires.
« L'un de ces défis est la forte perte principalement induite par la fluctuation atmosphérique, " a expliqué Zhang. " Dans la configuration la plus simple du MDI-QKD par satellite, un satellite joue le rôle de terminal de détection (c'est-à-dire, deux stations au sol envoient des photons via la « liaison montante » au satellite). La perte de canal mesurée par le satellite Micius est d'environ 41 ~ 52 dB à partir d'une station au sol avec une altitude de 5, 100 milles. La perte est susceptible d'être beaucoup plus élevée à partir de stations au sol à une altitude inférieure. L'efficacité de couplage de fibre monomode est une autre source de perte, ce qui est également très important avec les systèmes MDI-QKD existants."
Afin de permettre des implémentations MDI-QKD efficaces par satellite, donc, les chercheurs devront d'abord faire progresser les méthodes existantes pour faire transiter les photons à travers les canaux en espace libre. Pour faire ça, ils ont jusqu'à présent développé un système d'optique adaptative et un algorithme qui augmente l'efficacité des canaux en espace libre. Dans leurs prochaines études, ils prévoient de créer d'autres algorithmes et techniques pour améliorer le canal de transmission global.
"Le deuxième défi que nous espérons relever est lié au mouvement des satellites, " Zhang a ajouté. " Étant donné que les impulsions de signal devraient se chevaucher dans le domaine temporel au niveau du terminal de détection, une prédiction très précise de l'orbite d'un satellite est requise, et le temps d'émission de chaque impulsion codée doit également être chronométré avec précision, afin qu'ils puissent enfin bien se chevaucher dans le terminal de détection. Le décalage de fréquence Doppler, d'autre part, est une source importante de désadaptation de fréquence qui est gênante pour les interférences HOM. La fréquence de chaque impulsion codée doit également être décalée avec précision pour la compensation. Après avoir résolu tous ces défis techniques, nous pensons que nous serons en mesure de réaliser le MDI-QKD par satellite."
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