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

Selon les physiciens, la meilleure façon de répartir l’intrication quantique autour du globe est d’utiliser une constellation massive de satellites en orbite.

L’Internet quantique est un rêve que de nombreux technologues ont exposé ces dernières années. L’idée est d’exploiter les étranges propriétés quantiques des photons et des électrons pour envoyer des messages dans le plus grand secret.

Cela a des applications évidentes 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 pourront 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’y prendre pour construire un Internet quantique qui s’étende sur toute la planète ?

Aujourd’hui, nous obtenons une réponse grâce aux travaux de Sumeet Khatri et de ses collègues de l’Université d’État de Louisiane à Baton Rouge. Cette équipe a étudié les différentes façons de construire un Internet quantique et affirme que l’approche la plus rentable est de créer une constellation de satellites quantiques capables de diffuser en continu des photons enchevêtrés vers le sol. En d’autres termes, l’Internet quantique devrait être basé dans 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 par lequel deux particules quantiques partagent la même existence, même si elles sont séparées par de grandes distances. Il fait en sorte qu’une mesure sur l’une de ces particules influence immédiatement l’autre, une merveille qu’Einstein appelait « action effrayante à distance ».

Les physiciens répartissent habituellement l’enchevêtrement en utilisant des paires de photons créées au même point et à l’instant même. 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 brise le lien. En effet, c’est exactement ce qui se produit lorsque les physiciens transmettent des photons enchevêtrés directement dans l’atmosphère ou par des fibres optiques. Les photons interagissent avec d’autres atomes de l’atmosphère ou du verre, et l’enchevêtrement est détruit. Il s’avère que la distance maximale sur laquelle l’enchevêtrement peut être partagé de cette façon est de quelques centaines de kilomètres.

Comment alors construire un internet quantique qui partage l’intrication à travers le globe ? Une option est d’utiliser des  » répéteurs quantiques  » – des dispositifs qui mesurent les propriétés quantiques des photons à leur arrivée et qui transfèrent ces propriétés à de nouveaux photons qui sont envoyés sur leur chemin. Cela préserve l’intrication, ce qui permet de passer d’un répéteur à l’autre. Toutefois, cette technologie est très expérimentale et à plusieurs années d’une exploitation commerciale.

Une autre option consiste donc à créer les paires de photons enchevêtrées dans l’espace et à les diffuser vers deux stations de base différentes au sol. Ces stations de base s’enchevêtrent alors, ce qui leur permet d’échanger des messages dans le plus grand secret.

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

Khatri et ses collaborateurs affirment qu’une constellation de satellites similaires est un bien meilleur moyen de créer un Internet quantique mondial. La clé est que pour communiquer en toute sécurité, deux stations terrestres doivent être capables de voir le même satellite en même temps afin que les deux puissent en recevoir les photons enchevêtrés.

A quelle altitude les satellites doivent-ils voler pour assurer une couverture aussi large que possible ? Et combien en faudra-t-il ?  » Comme 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 « , affirment M. Khatri et ses collaborateurs.

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 assurer une couverture mondiale lorsqu’ils sont en orbite à haute altitude. Mais les altitudes plus élevées entraînent de plus grandes pertes de photons.

De plus, les satellites à plus basse altitude 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 ses collaborateurs 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 la messagerie sécurisée entre Londres et Mumbai, qui sont 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 est beaucoup plus performant que les systèmes terrestres de répéteurs quantiques, affirment Khatri et ses collaborateurs. Les répéteurs devraient être espacés de moins de 200 kilomètres, ce qui signifie que pour couvrir de longues distances, il faudrait en avoir un grand nombre. Cela introduit son propre ensemble de limites pour l’Internet quantique.  » Nous constatons donc que les satellites offrent un avantage significatif par rapport à la distribution des enchevêtrements au sol « , affirment M. Khatri et ses collaborateurs.

Bien entendu, 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 elle a l’intention d’aller plus loin.

En revanche, l’Europe et les Etats-Unis semblent avoir moins d’ambition à cet égard. Cela pourrait changer rapidement si cette technologie peut faire ses preuves. Dans ce cas, la course à l’espace quantique pourrait bien être sur le point de s’intensifier.

arxiv.org/abs/1912.06678 : Spooky Action at a Global Distance

Via MIT techreview

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