Pourquoi l'internet quantique devrait être construit dans l'espace

Satellites quantiques MS Tech / Source : NASA

L'internet quantique est un rêve que de nombreux technologues ont exprimé ces dernières années. L'idée est d'exploiter les étranges propriétés quantiques des photons et des électrons pour envoyer des messages en toute discrétion.

Cela a une application évidente pour les gouvernements et les militaires, mais cela intéresse de plus en plus les banques et autres opérations commerciales qui doivent tout sécuriser, des contrats aux transactions financières. De plus, ce type de sécurité est de plus en plus nécessaire car les ordinateurs quantiques seront capables de casser les codes actuellement utilisés pour garder de nombreux messages privés.

Et cela soulève une question intéressante : comment les scientifiques et les ingénieurs devraient-ils s'atteler à la tâche de construire un Internet quantique couvrant le monde ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Sumeet Khatri et de ses collègues de la Louisiana State University à Baton Rouge. Cette équipe a étudié les différentes façons de construire un Internet quantique et affirme que l'approche la plus rentable consiste à créer une constellation de satellites quantiques capables de diffuser en continu des photons intriqués au sol. En d'autres termes, l'internet quantique devrait être basé sur l'espace.

Tout d'abord un peu de contexte. Au cœur de tout réseau quantique se trouve l'étrange propriété de l'intrication. C'est le phénomène dans lequel deux particules quantiques partagent la même existence, même si elles sont séparées par de grandes distances. Il garantit qu'une mesure sur l'une de ces particules influence immédiatement l'autre, une merveille qu'Einstein appelait l'action effrayante à distance.

Les physiciens distribuent généralement l'intrication à l'aide de paires de photons créés au même point et à un instant donné. Lorsque les photons sont envoyés à différents endroits, l'intrication qui les relie peut être exploitée pour envoyer des messages sécurisés.

Le problème est que l'enchevêtrement est fragile et difficile à préserver. Toute petite interaction entre l'un des photons et son environnement rompt le lien. En effet, c'est exactement ce qui se passe lorsque les physiciens transmettent des photons intriqués directement à travers l'atmosphère ou à travers des fibres optiques. Les photons interagissent avec d'autres atomes de l'atmosphère ou du verre, et l'intrication est détruite. Il s'avère que la distance maximale sur laquelle l'enchevêtrement peut être partagé de cette manière n'est que de quelques centaines de kilomètres.

Comment alors construire un Internet quantique qui partage l'intrication à travers le monde ? Une option consiste à utiliser des répéteurs quantiques, des appareils qui mesurent les propriétés quantiques des photons à leur arrivée, puis transfèrent ces propriétés aux nouveaux photons qui sont envoyés sur leur chemin. Cela préserve l'enchevêtrement, lui permettant de sauter d'un répéteur à l'autre. Cependant, cette technologie est très expérimentale et plusieurs années d'exploitation commerciale.

Une autre option consiste donc à créer les paires de photons intriquées dans l'espace et à les diffuser vers deux stations de base différentes au sol. Ces stations de base s'enchevêtrent alors, leur permettant d'échanger des messages en toute discrétion.

En 2017, un satellite chinois appelé Micius a montré pour la première fois que l'intrication peut effectivement être partagée de cette manière. Il s'avère que les photons peuvent voyager beaucoup plus loin dans ce scénario car seuls les 20 derniers kilomètres environ du voyage traversent l'atmosphère, à condition que le satellite soit haut dans le ciel et pas trop près de l'horizon.

Khatri et co disent qu'une constellation de satellites similaires est une bien meilleure façon de créer un Internet quantique mondial. La clé est que pour communiquer en toute sécurité, deux stations au sol doivent pouvoir voir le même satellite en même temps afin que les deux puissent en recevoir des photons intriqués.

À quelle altitude les satellites doivent-ils voler pour assurer une couverture aussi large que possible ? Et combien en faudra-t-il ? Étant donné que les satellites sont actuellement une ressource coûteuse, nous aimerions avoir le moins de satellites possible dans le réseau tout en maintenant une couverture complète et continue, déclarent Khatri et co.

Pour le savoir, l'équipe a modélisé une telle constellation. Il s'avère qu'il y a un certain nombre de compromis importants à prendre en compte. Par exemple, moins de satellites peuvent fournir une couverture mondiale lorsqu'ils orbitent à haute altitude. Mais des altitudes plus élevées entraînent des pertes de photons plus importantes.

De plus, les satellites à des altitudes plus basses ne peuvent couvrir que des distances plus courtes entre les stations de base, car les deux doivent pouvoir voir le même satellite en même temps.

Compte tenu de ces limitations, Khatri et co suggèrent que le meilleur compromis est une constellation d'au moins 400 satellites volant à une altitude d'environ 3 000 kilomètres. En revanche, le GPS fonctionne avec 24 satellites.

Même dans ce cas, la distance maximale entre les stations de base sera limitée à environ 7 500 kilomètres. Cela signifie qu'un tel système pourrait prendre en charge une messagerie sécurisée entre Londres et Mumbai, distantes de 7 200 km, mais pas entre Londres et Houston, distantes de 7 800 km, ni même entre des villes plus éloignées. C'est un inconvénient important.

Néanmoins, un Internet quantique basé dans l'espace surpasse de manière significative les systèmes au sol de répéteurs quantiques, disent Khatri et co. Les répéteurs devraient être espacés à des intervalles de moins de 200 kilomètres, de sorte que couvrir de longues distances en nécessiterait un grand nombre. Cela introduit son propre ensemble de limitations pour un Internet quantique. Nous constatons ainsi que les satellites offrent un avantage significatif par rapport à la distribution d'intrication au sol, disent Khatri et co.

Bien sûr, un tel système nécessiterait des investissements importants. La Chine a un avantage évident, ayant déjà testé un satellite en orbite avec ce type de technologie. Et il envisage d'aller plus loin.

En revanche, l'Europe et les États-Unis semblent avoir moins d'ambition à cet égard. Cela pourrait changer rapidement si cette technologie peut faire ses preuves. si c'est le cas, la course à l'espace quantique est peut-être sur le point de se réchauffer.

Réf : arxiv.org/abs/1912.06678 : Action fantasmagorique à distance mondiale - Analyse du taux de ressources d'un réseau de distribution d'enchevêtrement basé sur l'espace pour l'Internet quantique

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