Communication quantique : des prototypes innovants de « répéteurs quantiques »

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre de la recherche sur les réseaux de communication « quantiques », dont l’aboutissement serait la mise en place d’un « internet quantique », plus rapide et surtout inviolable. Les communications y sont basées sur les concepts de la physique quantique : la superposition - qui autorise une particule quantique à se trouver dans deux états à la fois - et l’intrication - une propriété qui permet de corréler des particules situées à distance l’une de l’autre.

Le défi des "répéteurs quantiques"

Les « répéteurs quantiques » sont des dispositifs qui permettent d’assurer la transmission de l’information quantique sur de longues distances. Le signal transmis par fibre optique diminue en effet de manière exponentielle le long de son parcours du fait de l’absorption de la lumière (dans une fibre de 100 km, seul 1 % du signal lumineux parcourt la totalité de la section). Il s’agit donc de mettre en place des « relais » capables de détecter l’état quantique du photon avant qu’il ne soit absorbé, et d’émettre un photon dans le même état, conservant ainsi l’information transmise. La fabrication de ces dispositifs relève néanmoins du défi : nécessité d’une « mémoire quantique » au niveau des répéteurs, risque d’erreur important, forte dépendance à l’environnement avec par exemple la nécessité d’un maintien à très basse température, … Deux approches sont actuellement envisagées, l’une mettant en œuvre une « mémoire quantique », et celle « tout-optique », évoquée dans l’article des chercheurs chinois. S’agissant de la première méthode, des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec le CNRS, présentaient par exemple l’an dernier dans Nature Materials les propriétés de l’ytterbium, un matériau capable de « stocker » l’état du photon avant de le transférer. L’équipe chinoise menée par Pan Jianwei, qui est un scientifique reconnu internationalement pour ses travaux, travaille sur les deux méthodes.

Une approche développé initialement par des équipes canadienne et japonaise

L’approche « tout optique » a été proposée initialement par une équipe canadienne de l’Université de Toronto, en coopération avec une équipe japonaise, dans un article publié en 2015 dans Nature (All-photonic quantum repeaters, 2015). Cette même équipe a proposé en Janvier 2019 un prototype de ces répéteurs, dans des travaux présentés dans Nature Communication. L’équipe chinoise présente dans ses travaux une nouvelle approche dans la conception des répéteurs tout-optique, avec semble-t-il un taux de succès de la « répétition » très élevé.

La Chine très active sur la communication quantique

La Chine fait aujourd’hui partie des pays les plus actifs dans le domaine de la communication quantique, avec plusieurs réalisations de tests à grande échelle ces dernières années, et plus globalement le lancement de plusieurs projets de recherche ambitieux en sciences quantiques (voir l’article sur les nouveaux financements des sciences quantiques en Chine du 5 août de la veille S&T). Un premier réseau chinois de fibre optique « quantique » reliant Pékin et Shanghai sur 2000 km et plusieurs villes intermédiaires serait opérationnel depuis septembre 2017. Le réseau compte des relais tous les 70kms environ, mais n’implique pas de « répéteurs quantiques » au sens propre, encore l’objet des recherches actuelles. L’information quantique y est convertit en information « classique » et la clé quantique y est régénérée pour la portion suivante. Le réseau n’est donc 100% quantique que par section.

Afin de contourner la problématique de l’atténuation du signal, la Chine a aussi établi avec succès une liaison quantique depuis un satellite dénommé Micius en août 2016 (la mission QUESS), transmettant des informations quantiques à des stations situées au sol.

Un projet au niveau européen

Sur ce sujet, l’Union Européenne a annoncé en 2017 un programme Flagship Quantique sur 10 ans qui implique en particulier un volet communication quantique. Un projet H2020 « CiViQ », qui implique plusieurs opérateurs de télécommunication européens, a été lancé depuis. L’objectif du projet est d’accélérer le déploiement d’un réseau quantique compatible avec le réseau optique actuel.

https://www.lesechos.fr/2017/06/pekin-reussit-une-liaison-quantique-depuis-lespace-et-fait-un-pas-decisif-vers-un-internet-inviolable-173575

Interview de Pan Jianwei dans La Recherche en 2017

https://www.nature.com/articles/ncomms7787

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0468-5

https://physicsworld.com/a/the-quantum-internet-comes-closer/

https://www.unige.ch/communication/communiques/2018/cdp180719/

CiViQ

Rédaction :
Sylvain Pasquier, chargé de mission au service pour la science et la technologie de l’ambassade de France à Pékin