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.

Dispositif de communication quantique – Satellite et ses deux sites terrestres

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.« 

Principe de communication par téléportation quantique

Cette définition contient les éléments qui fondent la sécurité du système. Si Alice et Bob utilisent un système de communication quantique, Hector peut tenter d’intercepter le message mais sa simple observation modifiera le message transmis. L’émetteur et le récepteur seront également immédiatement informés de cette tentative d’interception.

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.

Expérimentation de téléportation quantique sur 143 km entre les iles Canaries

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, 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 :

L’ordinateur le plus puissant du monde est… chinois !