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La Chine pionnière
en communication quantique satellitaire
Thierry Berthier 23 août 2016
Reprise (sans les images) avec l'autorisation de l'auteur
d'un article publié dans http://echoradar.eu/2016/08/23/la-chine-pionniere-en-communication-quantique-satellitaire-2/
Mozi, un satellite
laboratoire
Le 16 août 2016 à 1h40 –
Une fusée chinoise Longue Marche 2D-Y32 décolle
de son pas de tir de la base de Jiuquan situé dans
le désert de Gobi et place en orbite héliosynchrone
à une altitude de 500 km, Mozi, le premier satellite
de communication quantique. Deux autres satellites seront
également déployés durant le vol. Ce
lancement réussi confirme une nouvelle fois la forte
implication de la Chine dans le domaine spatial et sa volonté
de devenir une nation technologique pionnière en matière
de communication quantique satellitaire.
Mozi porte le nom d’un philosophe chinois
du Vème siècle avant JC. Il est issu du programme
QUESS (Quantum Experiments at Space Scale – Expériences
quantiques à l’échelle spatiale) supervisé
conjointement par l’Agence Spatiale chinoise et le Centre
National des Sciences Spatiales (NSSC) dans le cadre du programme
prioritaire stratégique des sciences spatiales, lui
même inscrit au 12e plan quinquennal de 2011.
Les objectifs et le budget de cette mission
sont effectivement stratégiques puisqu’il s’agit
d’expérimenter le premier déploiement d’un
satellite civil réalisant des transmissions quantiques
de clés cryptographiques sur de longues distances.
Deux stations réceptrices au sol, distantes de 2500
km, ont été choisies pour communiquer avec Mozi,
l’une située à Pékin et l’autre
à Urumqi, la capitale de la région du Xinjiang.
Mozi embarque un système de cryptage-décryptage
quantique de plus de 500 kg constitué de dispositifs
optiques et photoniques (miroirs semi-réfléchissants
et lasers). Le satellite devra s’orienter de manière
extrêmement précise pour être en mesure
de transmettre des données chiffrées à
ces stations terrestres. Durant deux ans, les superviseurs
de Mozi testeront la possibilité d’émettre,
depuis l’un des deux sites terrestres, un signal lumineux
laser (une suite de photons) contenant une clé de cryptage-décryptage
quantique vers le satellite puis de transmettre à nouveau
ce signal et sa clé cette fois depuis Mozi vers le
second site au sol. Ce mode de transmission exploite les phénomènes
de téléportation et d’intrication quantiques.
Téléportation
et intrication quantiques
En tant que protocole de communication, le
concept de téléportation quantique s’appuie
sur une propriété « étrange »
de la mécanique quantique : l’intrication quantique.
La téléportation quantique consiste à
transférer l’état quantique d’un système
(énergie cinétique, spin, fonction d’onde)
vers un autre système en utilisant la propriété
d’intrication quantique.
Intrication quantique
On parle d’intrication quantique lorsque deux particules
élémentaires (le plus souvent des photons) se
lient entre elles de telle sorte qu’un changement induit
sur l’une des particules entraine une modification équivalente
sur l’autre particule, quelle que soit la distance séparant
ces deux particules. Le couple formé par ces deux particules
se comporte alors comme un tout dans une corrélation
d’états indépendante de la distance les
séparant. Einstein décrivait ce phénomène
comme une « action fantôme à distance »
qui diffère de tout ce que la physique classique pouvait
décrire. Il est assez facile de créer des contextes
et des expériences d’intrication quantique en
laboratoire, à l’échelle des particules
( les physiciens savent le faire depuis de nombreuses années).
Il est par contre beaucoup plus difficile d’observer
l’intrication à une échelle autre que celle
des particules élémentaires [1]. Le phénomène
d’intrication est « écrit » dans les
équations de la mécanique quantique depuis près
d’un siècle. Deux photons intriqués peuvent
être considérés comme deux manifestations
d’un seul et même objet capable de se délocaliser
instantanément. La corrélation non locale entre
ces deux objets (des photons) fait qu’une action sur
l’un engendre un effet immédiat sur l’autre,
quelle que soit la distance de séparation. Il ne s’agit
pas d’une propagation d’information entre les deux
objets, processus qui pourrait violer les lois de relativité
générale et contredire le principe de non dépassement
de la vitesse de la lumière.
Téléportation
quantique
Selon wikipédia [2] : » La téléportation
quantique est un protocole de communications quantiques consistant
à transférer l’état quantique d’un
système vers un autre système similaire et séparé
spatialement du premier en mettant à profit l’intrication
quantique. Contrairement à ce que le nom laisse entendre,
il ne s’agit donc pas de transfert de matière
ni d’énergie. Le terme de téléportation
quantique est utilisé pour souligner le fait que le
processus est destructif : à l’issue de la téléportation,
le premier système ne sera plus dans le même
état qu’initialement.«
Des expérimentations
prometteuses
Des recherches intenses et des réalisations
expérimentales de téléportation quantique
se succèdent depuis 1997 (équipe du physicien
autrichien Anton Zeilinger) en Autriche, en Suisse, en Chine,
aux Etats-Unis (1998 – Caltech, H.J. Kimble & Akira
Furusawa). En mai 2012, l’équipe de recherche
d’Anton Zeilinger a présenté une expérimentation
de téléportation quantique sur une distance
de 143 km dans les îles Canaries entre La Palma et Tenerife
[3]. Le précédent record de distance ( 97 km)
était détenu par une équipe chinoise
et datait de janvier 2012 [4]. Le démonstrateur chinois
a été capable de téléporter 1171
photons en quatre heures, avec une perte de 35 à 53
dB sur une distance de 97 km. Le démonstrateur autrichien
a été en mesure de téléporter
605 photons en 6,5 heures avec une perte de 28 à 39
dB sur une distance de 143 km.
Dès mars 2008, le projet Zeilinger
sur l’intrication quantique pour des expériences
spatiales démontrait la possibilité de l’échange
d’un photon entre un satellite à faible orbite
et un télescope terrestre dans le cadre d’une
communication passive (le satellite n’étant équipé
que d’un miroir sans source laser quantique…).
Du côté
américain
L le programme QUINES lancé par la DARPA
en 2010 [5] appelait à développer un démonstrateur
de « communication quantique macroscopique qui pourrait
combiner la sécurité des communications quantiques
avec les distances et les taux de télécommunications
macroscopiques. Les études proposées devraient
définir des approches novatrices qui permettent des
avancées révolutionnaires dans les communications
quantiques sécurisées. Les techniques actuelles
de communication quantique sont très sensibles à
la perte, avec une augmentation de perte conduisant à
une baisse correspondante du taux de bits (10 dB de perte
résulte en un facteur de diminution de 10 en débit
sécurisé). Les programmes sélectionnés
sont tenus de présenter une méthode pour le
découplage de la perte de débit sécurisé.
» Le programme Darpa fixait alors un objectif de transmission
de clés quantiques sécurisées au taux
de 1 à 10 Gigabits par seconde à des distances
de 1000 à 10 000 km, sans perte… L’idée
sous-jacente était de démontrer que des communications
quantiques sécurisées pouvaient s’établir
efficacement dans différents milieux (espace et sous-marin).
D’autres expérimentations ont montré qu’il
était possible d’établir une communication
quantique depuis un avion [6].
Une compétition
sino-américaine ?
En quelques années, la Chine a su devenir
le principal concurrent technologique des Etats-Unis. C’est
le cas dans de nombreux domaines comme par exemple celui du
calcul haute performance avec la construction de supercalculateurs
qui occupent le haut des classements de puissance [7]. Avec
le lancement du satellite Mozi, la Chine espère devenir
le leader mondial des communications quantiques satellitaires.
L’Europe doit s’engager au plus vite dans un programme
similaire. Elle dispose des moyens à la fois technologiques,
humains et financiers nécessaires au lancement d’un
satellite démonstrateur de communication quantique.
Il ne lui manque que la volonté politique et la vision
stratégique pour s’engager dans cette voie…
Liens
[1] – Sur l’intrication quantique
– EPFL :
http://actu.epfl.ch/news/l-intrication-quantique-enfin-tangible/
http://www.unige.ch/communication/Campus/campus92/recherche3/3RE3.pdf
[2] – Sur la téléportation
quantique – Wikipédia :
https://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9l%C3%A9portation_quantique
[3] Sur l’expérimentation de téléportation
quantique – Anton Zeilinger – Canaries :
http://www.nature.com/nature/journal/v489/n7415/full/nature11472.html
[4] Sur le record d’une équipe
chinoise de janvier 2012 (97 km) :
http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7410/full/nature11332.html
[5] Sur le programme QUINES de la Darpa :
http://www.darpa.mil/program/quiness
http://kiss.caltech.edu/study/quantum/report.pdf
http://www2.nict.go.jp/wireless/spacelab/lasersatellitetech/icsos/icsos2012/pdf/1569657077.pdf
[6] – Sur les expérimentations
de communications quantiques (site Si Vis Pacem Para Bellum)
:
http://si-vis.blogspot.fr/2013/04/communications-securisees-air-sol.html
http://si-vis.blogspot.fr/2012/01/qkard-le-module-cryptographique-et.html
http://si-vis.blogspot.fr/2014/11/lactuelle-bataille-des-cables-prefigure.html
[7] Sur le classement de la Chine en calcul
haute performance :
http://www.contrepoints.org/2016/06/24/257831-lordinateur-plus-puissant-monde-chinois
