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Nouveau record pour la cryptographie quantique
Des scientifiques européens ont battu un record de distance pour l'envoi d'informations quantiques d'un endroit à un autre, ouvrant la voie à un système qui s'appuie sur les lois de la physique pour fournir des communications qui ne peuvent pas être exploitées. S'ils peuvent étendre un peu plus la portée de leur signal, ils pourront utiliser des satellites pour envoyer des données parfaitement sécurisées dans le monde entier.
Appel longue distance: Des photons intriqués ont été envoyés à 144 kilomètres d'une source lumineuse à La Palma à un récepteur à Tenerife (en haut) logé dans un observatoire local (en bas).
L'équipe a utilisé les principes de la mécanique quantique pour créer une clé de cryptage à deux endroits simultanément : l'un dans un laboratoire à La Palma, aux îles Canaries, et le second dans un observatoire sur l'île voisine de Tenerife, à 144 kilomètres. Une telle clé de cryptage peut être utilisée pour coder des données que seuls l'expéditeur et le destinataire peuvent décoder.
Nous voulons voir s'il est possible d'établir une communication quantique mondiale, une cryptographie quantique mondiale, dit Anton Zeilinger , professeur de physique à l'Institut de physique expérimentale de l'Université de Vienne, en Autriche. Son équipe, ainsi qu'une équipe dirigée par Harald Weinfurter du Institut Max Planck d'optique quantique , à Garching, en Allemagne, a publié ses résultats en ligne le 3 juin dans la revue Physique de la nature .
Pour créer la clé, l'équipe a d'abord dû créer des paires de photons intriqués. L'intrication, qu'Albert Einstein a qualifiée d'action effrayante à distance, signifie que le destin d'un photon est lié au destin de l'autre. Mesurer n'importe quelle propriété de mécanique quantique d'un photon modifie automatiquement cette même propriété chez son partenaire intriqué, quelle que soit la distance qui les sépare.
Dans ce cas, l'équipe a mesuré la polarisation. La lumière peut être polarisée dans n'importe quelle direction ; c'est une mesure de la direction dans laquelle les ondes lumineuses fluctuent horizontalement ou verticalement, par exemple. Les chercheurs ont créé des paires de photons enchevêtrés en tirant un puissant faisceau laser à travers un cristal. Pour chaque photon entrant, deux photons intriqués plus faibles en sortaient. Les chercheurs ont fait rebondir la moitié de chaque paire sur un miroir vers un détecteur de lumière local à La Palma. Ils ont envoyé l'autre photon à travers une lentille et à travers l'eau, où un télescope à Tenerife l'a capté et l'a envoyé à un deuxième détecteur de lumière.
J'ai ces deux photons, et si je les mesure aux deux extrémités et que je leur demande : « Êtes-vous polarisé horizontalement ou verticalement ? » – un choix binaire – ils donneront une réponse aléatoire, dit Zeilinger. Mais à cause de l'enchevêtrement, les deux donneront la même réponse. Des deux côtés, vous obtenez un zéro ou des deux côtés, vous obtenez un un.
Chaque fois que les détecteurs enregistraient un photon et mesuraient sa polarisation, cela comptait pour un bit. Un photon polarisé dans une direction était un un, et un photon polarisé dans la direction opposée était un zéro. Ajoutez suffisamment de bits ensemble et vous obtenez une clé de cryptage. Et il est impossible de voler cette clé sans que les utilisateurs le sachent. Si quelqu'un interceptait les photons volants, il pourrait les mesurer lui-même, puis les envoyer au récepteur. Mais le fait de les mesurer modifierait leurs propriétés mécaniques quantiques, il serait donc immédiatement exposé.
Les clés de chiffrement utilisées aujourd'hui reposent sur la conviction qu'il faut d'énormes ressources informatiques pour les casser, dit Jeffrey Shapiro , du MIT Groupe Communications Optiques et Quantiques . Mais si quelqu'un inventait un ordinateur quantique beaucoup plus puissant, cet avantage serait perdu. De plus, les séquences aléatoires de nombres générées pour créer les clés de chiffrement d'aujourd'hui ne sont pas vraiment aléatoires. Ils sont générés par des opérations mathématiques, et un briseur de code intelligent pourrait être en mesure de comprendre l'algorithme utilisé pour les générer. Les bits quantiques, en revanche, sont complètement imprévisibles, de sorte que les clés qui en découlent doivent être incassables. C'est attrayant pour les entreprises qui souhaitent envoyer des données financières en toute sécurité, ainsi que pour les gouvernements, qui ont toutes sortes de communications sensibles. Nous savons tous que la sécurité des données est l'un des enjeux essentiels de nos jours, déclare Zeilinger.
Je pense que c'est un travail merveilleux, dit Shapiro à propos du journal du groupe européen. Ce qui est impressionnant, c'est qu'ils l'ont fait sur une si longue distance.
Le mieux que les chercheurs aient fait auparavant était de détecter des photons intriqués sur des distances d'environ 10 kilomètres. Pour améliorer cela, l'équipe de Zeilinger est passée à un laser qui émet de la lumière par impulsions au lieu d'un faisceau continu. Le laser pulsé n'a qu'un taux de répétition de 249 mégahertz, bien plus lent que les lasers 10 gigahertz couramment utilisés dans les réseaux de communication optique, ce qui limite la quantité de signal pouvant être envoyée dans une période de temps donnée. Le laser pulsé n'est pas non plus aussi efficace que le laser continu pour produire un enchevêtrement. Mais c'est proche, et cela a donné aux membres de l'équipe beaucoup plus de contrôle sur le moment où ils produisaient des photons, ce qui les a aidés à séparer les photons qu'ils voulaient de la lumière parasite au niveau du détecteur, afin qu'ils puissent lire le signal de manière plus fiable. Les chercheurs ont également dû faire face à des turbulences atmosphériques qui faussent la trajectoire des photons. Ils ont utilisé un système automatisé qui ajustait continuellement l'alignement du télescope pour s'en occuper, bien que le faisceau lumineux se promenait encore quelque peu sur le détecteur.
L'espoir, dit Zeilinger, est d'améliorer suffisamment les lasers et les détecteurs pour que de telles liaisons en espace libre fonctionnent entre les stations au sol et les satellites, afin que les clés de cryptage puissent être envoyées de n'importe où sur Terre à n'importe quel autre. Comme la plupart des satellites de communication orbitent à des altitudes de 300 à 500 kilomètres, avec nos 144 kilomètres, nous y arrivons, dit-il.
Le fait que l'équipe ait parcouru cette distance dans l'espace libre est certainement très significatif, dit Prem Kumar , directeur de la Centre de communication photonique et d'informatique à l'Université Northwestern. Il a envoyé des photons intriqués sur fibre optique, ce qui est bien pour les courtes distances, dit-il. Mais comme la fibre absorbe les photons, elle n'est pas pratique sur plus de 100 à 200 kilomètres, ce qui ne permettrait pas une distribution mondiale.
Les chercheurs font partie d'un consortium européen d'une vingtaine de groupes, appelé SECOQC, travaillant sur des communications sécurisées basées sur la cryptographie quantique. Le consortium vise à tester un système sécurisé en Europe dans le courant de l'année prochaine.