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. L'application militaire de cette technologie met à bas la technologie américaine des avions furtifs.
Le satellite appelé 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 |
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.«
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 États-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…
Conséquence : les avions furtifs ne le sont plus !
La Chine a annoncé qu'elle
a développé et testé un système radar qui utilise l'intrication quantique qui
bat toute la technologie furtive moderne utilisée par les militaires dans le
monde entier.
Le premier radar
quantique jamais chinois a été développé par le Laboratoire de Technologie de la
Perception Intelligente de la firme CTEC, une entreprise de défense et d'électronique.
Le radar a été testé à la
mi-Août, a déclaré l’agence chinoise Xinhua dans un rapport jeudi.
Le système a été en mesure
de détecter une cible à une distance de 100 kilomètres dans un environnement du
monde réel, dit le rapport. Le
dispositif utilise la technologie de détection de photons uniques.
Le radar Quantum est un
dispositif qui utilise des photons d'intrication quantique pour fournir de
meilleures capacités de détection que les systèmes radar classiques. La
méthode serait utile pour le suivi des objectifs avec une section transversale
de radar bas, tels que les avions modernes utilisant la technologie furtive ou
des cibles utilisant des contre-mesures actives pour embouteiller ou tromper le
radar ennemi.
La technologie peut
également trouver une utilisation dans le domaine biomédical, car le radar
quantique nécessite de l'énergie plus faible et peut être utilisé pour la sonde
non invasive pour les objets à faible réflectivité, comme les cellules
cancéreuses.
Plus tôt, la Chine a
lancé le premier satellite de communications quantiques du monde, qui utilise
l'intrication quantique pour la cryptographie
[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