Comment la Chine a construit un détecteur à photon unique qui fonctionne dans l'espace

Une image du ciel nocturne au-dessus de la Chine. Unsplash / Gregory Hayes

L'une des utilisations émergentes des photons uniques consiste à les emballer avec des informations quantiques et à les envoyer vers un autre endroit. Cette technique, connue sous le nom de communication quantique, exploite les lois de la physique pour s'assurer que l'information ne peut être lue par aucun indiscret.

L'un des défis consiste à trouver des moyens d'envoyer ces informations quantiques dans le monde entier. C'est difficile car l'information est fragile : toute interaction entre les photons et leur environnement la détruit. Les photons ne peuvent parcourir plus d'une centaine de kilomètres dans l'atmosphère ou dans les fibres optiques sans que l'information quantique qu'ils véhiculent ne soit détruite.

Les physiciens chinois ont donc trouvé une solution de contournement : envoyer les photons à un satellite en orbite, qui les relaie vers un autre endroit sur la surface de la Terre. De cette manière, le passage inconfortable dans l'atmosphère peut être minimisé. Si les photons sont transmis depuis des stations au sol à haute altitude, leur voyage se fait principalement dans le vide de l'espace.

Mais il y a un problème. La communication quantique nécessite des détecteurs capables de repérer et de mesurer des photons uniques. Ces dernières années, les physiciens ont conçu et construit des appareils de plus en plus sensibles capables de le faire.

Cependant, cette sensibilité les rend vulnérables à tout type de bruit de fond, qui peut submerger le signal des photons eux-mêmes. Et l'espace est rempli de bruits indésirables sous la forme de particules à haute énergie, de températures extrêmes et de lumière parasite provenant de sources telles que le soleil.

Construire des détecteurs à photon unique capables de fonctionner dans cet environnement est un défi de taille. Il n'est donc pas surprenant que les physiciens se grattent la tête sur cette question depuis un certain temps.

Aujourd'hui, Meng Yang et ses collègues de l'Université des sciences et technologies de Chine à Hefei affirment avoir résolu le problème. Ils ont même testé leur machine au cours des deux dernières années sur un satellite en orbite et disent qu'elle fonctionne bien.

Le détecteur de l'équipe exploite un phénomène connu sous le nom de claquage par avalanche, qui se produit dans les puces semi-conductrices dans des circonstances particulières. Un semi-conducteur tel que le silicium conduit le courant électrique sous la forme d'électrons libres et de trous qui peuvent se déplacer à travers le réseau du matériau sous l'influence d'un champ électrique.

Dans des circonstances normales, ces porteurs de charge sont liés au réseau et ne peuvent donc pas bouger. Dans ces circonstances, le matériau agit comme un isolant.

Mais si un électron est libéré, peut-être par des fluctuations thermiques ou un coup de pied d'un photon incident, il peut traverser la structure, créant un courant. Dans ces circonstances, le matériau devient conducteur

Bien sûr, un seul électron ainsi libéré crée un petit courant difficilement détectable. Ainsi, l'astuce avec la panne d'avalanche est de mettre en place une tension qui accélère rapidement un électron libre à des vitesses suffisamment élevées pour libérer d'autres électrons conducteurs. Cela crée une réaction en chaîne - une avalanche - qui se traduit par un courant beaucoup plus important et plus facilement détectable.

Ces dernières années, les physiciens ont rendu ces dispositifs si sensibles qu'un seul photon d'une longueur d'onde spécifique peut déclencher ce genre d'avalanche. Le résultat est un détecteur à photon unique capable de repérer la plupart des photons qui le frappent.

Cependant, cette sensibilité a un prix. Il est facile de voir comment une particule à haute énergie peut déchirer une photodiode au silicium, expulsant des électrons et déclenchant une avalanche. Et dans l'espace, ce type d'effet crée tellement de bruit de fond - appelé taux de comptage sombre - qu'il submerge le signal des photons que les physiciens espèrent mesurer.

La tâche de Yang and co était donc de trouver des moyens de protéger et d'améliorer les performances des détecteurs à photon unique commerciaux prêts à l'emploi afin qu'ils puissent fonctionner dans l'espace.

Leur première solution était simple : entourer le détecteur d'un blindage qui bloque les particules à haute énergie. C'est un exercice d'équilibre délicat car le blindage est lourd et donc coûteux à mettre en orbite. L'interaction entre le blindage et les particules à haute énergie peut également créer des pluies de particules secondaires qui aggravent encore le taux d'obscurité.

Yang et co ont finalement opté pour un bouclier composé de deux couches. La couche externe est une feuille d'aluminium de 12 millimètres et la couche interne est une feuille de 4 mm de tantale élément beaucoup plus dense et plus lourd. Le bouclier qui en résulte réduit la dose de rayonnement d'un facteur 2,5.

Ce blindage agit également comme un isolant thermique, ce qui permet à l'équipe de refroidir les détecteurs à -15 °C. Cela réduit également les comptes d'obscurité en minimisant les fluctuations thermiques dans le détecteur au silicium.

Enfin, l'équipe a développé des pilotes électroniques qui éteignent les détecteurs pendant les périodes où ils sont vulnérables au bruit de fond, une technique connue sous le nom de résistance post-impulsion.

L'effet de toutes ces approches a été significatif. Pour les détecteurs à photon unique non protégés, le taux de comptage d'obscurité attendu est supérieur à 200 comptages par seconde. C'est trop élevé pour la communication quantique dans l'espace.

Cependant, les détecteurs modifiés ont un taux de comptage sombre de seulement 0,54 coups par seconde. C'est deux ordres de grandeur mieux.

En 2016, Yang and co ont lancé leurs détecteurs à bord du satellite chinois Micius, un démonstrateur de technologie quantique qui a réalisé une impressionnante série de percées. Par exemple, les détecteurs ont été un élément clé dans la téléportation du premier objet de la Terre vers l'orbite - un photon unique en 2017. Le satellite a également permis le premier appel vidéo crypté quantique entre les continents .

Ces expériences ont préparé le terrain pour une nouvelle génération de communication quantique basée dans l'espace. Nos détecteurs de photons uniques ouvrent de nouvelles fenêtres d'opportunités pour la recherche spatiale et les applications dans les communications optiques dans l'espace lointain, la télémétrie laser à photon unique, ainsi que pour tester les principes fondamentaux de la physique dans l'espace, déclarent Yang and co.

Pendant ce temps, le reste du monde de la physique quantique a regardé avec envie. La Chine a une nette avance dans la communication quantique spatiale, mais avec l'aide de chercheurs européens dans des domaines clés.

L'Europe travaille sur un démonstrateur de technologie quantique en orbite appelé la mission de sécurité et de cryptographie, ou SAGA. Cela fait partie d'un plan beaucoup plus vaste visant à créer un réseau de communication quantique à travers le continent. Cependant, aucune date de lancement n'a été fixée.

En revanche, les plans américains sont au point mort. En 2012, l'agence de recherche en technologie militaire DARPA a lancé un programme appelé Quiness pour tester les technologies de communication quantique dans l'espace. Mais le programme - et le domaine en général - a souffert d'un grave manque de financement.

Une question importante est maintenant de savoir comment le reste du monde, en particulier les États-Unis, prévoit de rattraper son retard.

Réf : arxiv.org/abs/1910.08161 : Détection spatiale, à faible bruit et à photon unique pour les communications quantiques par satellite

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