Une nouvelle étude propose l’utilisation de sources de photons uniques basées sur satellite comme moyen de transmettre en toute sécurité des informations sur de grandes distances. Cette recherche promet non seulement des communications impénétrables, mais ouvre également la porte à l’exploration des lois fondamentales de la mécanique quantique et à une analyse plus approfondie des effets quantiques de la gravité.

« Le résultat le plus important ce travail « Il s'agit d'une architecture quantique universelle qui utilise une véritable source de photons uniques et compacte pour les réseaux quantiques par satellite », a déclaré Tobias Vogel, professeur d'ingénierie des systèmes de communications quantiques à l'Université Friedrich Schiller en Allemagne et auteur principal de l'étude. un email. « Bien que cette conception démontre la capacité de notre source de photons à émettre des photons uniques dans l'espace, elle nous permet également de tester un postulat fondamental de la mécanique quantique. »

La mécanique quantique permet une communication sécurisée

Dans le domaine des sciences de la communication, la distribution de clés quantiques constitue une frontière qui progresse rapidement. Il permet à la clé de cryptage d'être transférée entre deux parties d'une manière qui ne permet pas les écoutes clandestines.

« Pour la distribution de clés quantiques, on crypte les informations pour… [quantum states of single photons] »Les lois de la physique quantique stipulent qu'il est impossible de copier ce photon unique, et qu'il est également impossible de lire l'information sans la modifier, ce qui rend toute écoute mesurable », a expliqué Vogel.

Pour que cette méthode de cryptage soit efficace, il faut que les photons porteurs de l'information soient émis les uns après les autres. Si plusieurs photons sont tirés simultanément dans le même état, l'interception d'une écoute indiscrète peut passer inaperçue, compromettant la sécurité. Mais créer un photon unique distinct d’une source de lumière cohérente constitue un énorme défi en raison de la nature fondamentale de la lumière et des limites de la mécanique quantique.

De nombreuses technologies avancées sont utilisées pour y parvenir, notamment les points quantiques et les atomes uniques. Mais Vogel souligne un matériau connu sous le nom de nitrure de bore, qui émet des photons uniques en raison de défauts dans sa structure, agissant comme des émetteurs quantiques localisés lorsqu'il est manipulé et excité de manière appropriée.

« Le nitrure de bore hexagonal est un matériau bidimensionnel composé d'azote et de bore », a déclaré Vogel. « La structure originale est un diélectrique ordinaire sans émission de lumière (visible). » Cependant, sa structure défectueuse est susceptible d’émettre un photon à la fois. Cela est dû au défaut d’introduction de niveaux d’énergie supplémentaires dans la structure électronique du cristal, qui ne peut être excité qu’une seule fois et n’émet donc également qu’un seul photon à la fois.

Les satellites à la rescousse

Cependant, même avec une puissante source de photons uniques telle que le nitrure de bore, la transmission de photons uniques sur de longues distances à l’aide de dispositifs au sol reste un défi.

« Le fait qu'aucun indiscret ne puisse copier le quantum [photon] Il a expliqué que les états signifient également que nous ne pouvons pas copier les états quantiques. « Cela signifie que nous ne pouvons pas amplifier le signal s'il est transmis sur de longues distances, ce qui est associé à une atténuation importante du signal. Dans les fibres optiques, par exemple, les pertes augmentent considérablement avec la distance. « 

Pour surmonter ce problème, Vogel et son équipe de chercheurs proposent de déployer des sources de photons uniques sur les satellites.

« L'atmosphère devient si mince au-dessus d'une altitude d'environ 10 kilomètres qu'il n'y a plus de pertes significatives », a déclaré Vogel. « Par conséquent, en utilisant des satellites, nous pouvons transmettre des états de photons uniques sur des distances beaucoup plus longues. L'objectif est de parvenir à terme à un Internet quantique mondial. »

L'équipe travaille actuellement sur QUICK³ Une mission spatiale, qui vise à valider le matériel nécessaire pour développer à l’avenir un réseau quantique fonctionnel par satellite.

« rapide³ « L'acronyme Quantum photonIsChe Komponenten für sichhere Kommunikation mit Kleinsatelliten (Composants photoniques quantiques pour une communication sécurisée avec les petits satellites) », a déclaré Vogel. « Il vise à développer le matériel nécessaire à la corrélation quantique par satellite. La charge utile se compose d'un système laser d'excitation, d'une source à photon unique basée sur un défaut fluorescent dans un matériau de nitrure de bore hexagonal 2D, d'un interféromètre quantique et d'un photon unique. détecteurs.

« Après avoir intégré tous les composants ensemble sur un petit satellite, nous avons QUICK³ La mission évaluera sa fonctionnalité dans l'espace sur un CubeSat 3U (un petit satellite d'un volume d'environ 3,5 litres). » « Une constellation de satellites équipés du matériel développé dans la mission QUICK³ pourrait être utilisée comme épine dorsale de l'Internet quantique. Le lancement était initialement prévu pour 2024 mais a désormais été reporté à 2025.

Bien que rapide³ Même si la mission devrait fournir des données précieuses, les appareils qui seront testés ne seront pas immédiatement déployables pour une véritable communication quantique. Par exemple, le détecteur à photon unique serait placé à l’intérieur du satellite plutôt que sur Terre, ce qui est nécessaire pour un véritable réseau quantique.

Pour parvenir à des communications quantiques par satellite, les limitations matérielles actuelles doivent être résolues. Par exemple, la source de photons doit être plus puissante et plus directionnelle.

« Notre mission consiste principalement à démontrer la technologie et à tester les composants », a expliqué Vogel. « Le satellite ne peut pas encore établir un véritable lien de distribution de clés quantiques. Après le succès de la mission, nous prévoyons une mission de suivi qui démontrera la distribution de clés quantiques entre le satellite et la station au sol à l'aide de nos composants.

« Nous construisons actuellement un réseau quantique local à l'Université technique de Munich, principalement limité à la zone métropolitaine de Munich », a-t-il ajouté. « Des réseaux similaires sont désormais mis en place partout dans le monde, par exemple dans d'autres villes d'Allemagne, de Singapour, de Chine, des États-Unis, du Canada et du Royaume-Uni, pour n'en citer que quelques-unes. Grâce à notre satellite, nous pouvons connecter notre réseau local à d'autres. réseaux locaux et marquent une étape importante vers l'Internet. » Quantum.

Explorez les bases de la mécanique quantique

En plus de faciliter une communication sécurisée et rapide³ Il offre une occasion unique d'étudier les principes fondamentaux de la mécanique quantique en étudiant les processus impliqués dans l'émission, la propagation et la détection de photons uniques dans l'espace tout en les comparant aux conditions terrestres.

Ces études pourraient également fournir des informations importantes sur les mystères de la gravité quantique, difficile à étudier jusqu’à présent en raison de la très faible interaction entre les particules élémentaires et les champs gravitationnels.

« L'un des grands Saints Graal de la physique est de combiner la gravité et la physique quantique, ce qui s'est avéré difficile jusqu'à présent », a conclu Vogel. « Certaines de ces tentatives de théories de la gravité quantique prédisent une modification de notre théorie quantique standard. En gros, c'est ce que nous testons, en menant une expérience couplée sur Terre et sur un satellite à l'aide d'un interféromètre quantique. S'il y a un couplage dû à un champ gravitationnel, nos expériences le révéleront.

Référence : Najm Al-Ahmadi, et al., rapide³ – Concevoir une source de lumière quantique basée sur satellite pour la communication quantique et les tests de théorie physique étendue dans l’espace, Technologies quantiques avancées (2024). est ce que je: 10.1002/quote.202300343

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