Combien de satellites faudrait-il pour construire l'Internet quantique ?

• L'Internet quantique spatial surpasserait considérablement les réseaux terrestres de répéteurs quantiques.
• Construire un Internet quantique à l'échelle mondiale nécessiterait de placer plus de 400 satellites à une altitude de 1 900 miles.

L'application la plus utile de la mécanique quantique est la capacité d'effectuer une communication sécurisée grâce à la distribution de clés quantiques. L'Internet quantique - qui est un rêve pour de nombreux technologues - permettrait l'exécution d'autres tâches de traitement de l'information quantique, y compris la synchronisation d'horloge quantique, la téléportation quantique et la métrologie et la détection quantiques distribuées.

Cela signifie qu'Internet quantique peut tout sécuriser, des messages privés et des contrats aux transactions financières. Et puisque les prochains ordinateurs quantiques seront capables de déchiffrer les algorithmes de cryptage existants, ce type de sécurité deviendra nécessaire.

Mais construire un Internet quantique à l'échelle mondiale est un défi expérimental difficile. Récemment, une équipe de chercheurs de la Louisiana State University a présenté la méthode la plus rentable pour y parvenir.

Il s'agit de créer une constellation de satellites quantiques capables de diffuser en continu des photons intriqués au sol. Les deux questions les plus fondamentales qui se posent lorsqu'on envisage une telle approche sont :

1) Combien de satellites sont nécessaires pour atteindre une couverture mondiale qui surpasse les configurations de répéteurs quantiques au sol ?

2) A quelle altitude ces satellites doivent-ils être placés ?

D'abord un peu de contexte

La caractéristique la plus importante d'un tel réseau est l'intrication quantique - un phénomène où deux particules quantiques partagent la même existence, même lorsqu'elles sont séparées par une grande distance. Les particules intriquées restent connectées et les actions effectuées sur l'une affectent l'autre.

Les scientifiques utilisent principalement des paires de photons (créés au même instant) pour répartir l'intrication. Lorsque vous envoyez des photons à différents endroits, vous pouvez utiliser leur enchevêtrement pour envoyer des messages sécurisés.

Cependant, l'intrication (qui relie les photons) est extrêmement fragile et difficile à préserver. Même une infime interaction entre le photon et son environnement pourrait rompre la connexion.

C'est généralement ce qui se passe lors de la transmission de photons intriqués directement à travers des fibres optiques ou l'atmosphère. Ces photons interagissent avec d'autres atomes dans le verre ou l'atmosphère. Avec la technologie existante, l'enchevêtrement ne peut être partagé que sur quelques centaines de kilomètres.

Comment construire un Internet quantique ?

Il existe deux options :la première consiste à utiliser des dispositifs appelés répéteurs quantiques qui évaluent les caractéristiques quantiques dès leur arrivée et les transmettent à de nouveaux photons qui sont envoyés sur leur chemin. Bien qu'elle puisse préserver l'enchevêtrement, la technique est sujette aux erreurs et peut prendre plusieurs années à mettre en œuvre.

La deuxième option consiste à créer des paires de photons intriqués dans l'espace et à les diffuser vers deux stations au sol situées à différents endroits. Les stations pourront échanger des informations en toute confidentialité.

La Chine a déjà mené des expériences quantiques à l'échelle spatiale. En 2016, ils ont lancé un satellite nommé Micius pour faciliter les expériences d'optique quantique sur de longues distances.

Dans de tels scénarios satellitaires, les photons ne couvrent que les 13 derniers kilomètres de leur voyage dans l'atmosphère. Ainsi, ils peuvent voyager beaucoup plus loin (étant donné que le satellite n'est pas trop près de l'horizon).

Référence :arXiv:1912.06678

Selon les chercheurs, un réseau similaire de satellites (s'il est mis en œuvre à grande échelle) créerait un Internet quantique mondial plus efficace. Pour envoyer/recevoir des informations en toute sécurité, deux stations au sol doivent communiquer avec le même satellite au même instant afin que les deux stations reçoivent des photons intriqués du satellite.

Réduction des ressources 

La construction et le lancement de satellites coûtent des millions de dollars, c'est pourquoi il est important de maintenir le nombre de satellites aussi bas que possible sur le réseau sans compromettre la couverture.

Les chercheurs ont modélisé un tel réseau et ont découvert qu'il y a quelques compromis cruciaux à considérer. Par exemple, moins de satellites placés à des altitudes plus élevées peuvent fournir une couverture mondiale, mais cela pourrait entraîner des pertes de photons plus importantes. Alors que les satellites à des altitudes inférieures ne peuvent couvrir que des distances plus courtes entre les stations au sol.

Selon l'équipe de recherche, le meilleur compromis serait un réseau d'environ 400 satellites volant à une altitude de 1 900 milles. Pour mettre cela en perspective, le GPS dispose de 24 satellites fonctionnant à une altitude de 12 500 miles.

Cependant, la distance maximale entre deux stations au sol sera toujours limitée à 4 700 milles. Cela signifie qu'un tel réseau pourrait prendre en charge une communication sécurisée entre New York et Londres (à 3 459 milles), mais pas entre Houston et Londres (à 4 846 milles).

Malgré cet inconvénient majeur, l'Internet quantique spatial surpasserait considérablement les réseaux au sol de répéteurs quantiques (où un répéteur doit être installé tous les 120 miles).

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Bien que les réseaux hybrides interfaçant des plates-formes de communication quantique spatiales avec des répéteurs quantiques au sol peuvent transformer cette vision en réalité.