Combien de satellites sont nécessaires pour lancer un Internet quantique mondial ?

L'Internet quantique spatial surpasserait considérablement les réseaux terrestres basés sur des répéteurs quantiques.

La construction d'un Internet quantique à l'échelle mondiale nécessiterait le déploiement de plus de 400 satellites à une altitude de 3 000 km (environ 1 900 miles).

Contexte essentiel

L'application la plus prometteuse de la mécanique quantique réside dans la communication sécurisée via la distribution de clés quantiques (QKD). L'Internet quantique — le rêve de nombreux technologues — permettrait d'exécuter d'autres tâches de traitement de l'information quantique, notamment la synchronisation d'horloges quantiques, la téléportation quantique, ainsi que la métrologie et la détection quantiques distribuées.

Cela signifie que l'Internet quantique pourrait sécuriser tout, des messages privés et contrats aux transactions financières. Et comme les futurs ordinateurs quantiques pourront briser les algorithmes de chiffrement actuels, ce type de sécurité deviendra indispensable.

Mais bâtir un Internet quantique mondial représente un défi expérimental majeur. Récemment, une équipe de l'Université d'État de Louisiane a présenté la méthode la plus rentable pour y parvenir.

Elle consiste à créer une constellation de satellites équipés de technologies quantiques capables de diffuser en continu des photons intriqués vers le sol. Deux questions fondamentales se posent alors :

1) Combien de satellites sont nécessaires pour obtenir une couverture mondiale surpassant les configurations de répéteurs quantiques terrestres ?

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

Les bases de l'intrication quantique

La caractéristique clé d'un tel réseau est l'intrication quantique — un phénomène où deux particules quantiques partagent la même existence, même séparées par de grandes distances. Les particules intriquées restent connectées : une action sur l'une affecte instantanément l'autre.

Les scientifiques utilisent principalement des paires de photons (créées simultanément) pour distribuer l'intrication. En envoyant ces photons vers des emplacements distincts, on peut exploiter leur intrication pour transmettre des messages sécurisés.

Cependant, l'intrication qui relie les photons est extrêmement fragile et difficile à préserver. La moindre interaction entre le photon et son environnement peut rompre le lien.

C'est ce qui se produit lors de la transmission directe de photons intriqués via des fibres optiques ou l'atmosphère. Ces photons interagissent avec d'autres atomes dans le verre ou l'air. Avec la technologie actuelle, l'intrication ne peut être partagée que sur quelques centaines de kilomètres.

Comment construire un Internet quantique ?

Il existe deux approches : la première utilise des dispositifs appelés répéteurs quantiques qui évaluent les caractéristiques quantiques à leur arrivée et les transmettent à de nouveaux photons. Bien que cela puisse préserver l'intrication, la technique est sujette aux erreurs et prendra plusieurs années à mettre en œuvre.

La seconde option consiste à créer des paires de photons intriqués dans l'espace et à les diffuser vers deux stations terrestres distantes. Ces stations pourront alors échanger des informations avec un secret parfait.

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

Dans de tels scénarios satellites, les photons ne parcourent que les derniers 20 km de leur trajet dans l'atmosphère. Ils peuvent ainsi voyager beaucoup plus loin (à condition que le satellite ne soit pas trop bas sur l'horizon).

Référence : arXiv:1912.06678

Selon les chercheurs, un réseau similaire de satellites (déployé à grande échelle) créerait un Internet quantique mondial plus efficace. Pour communiquer sécurisément, deux stations terrestres doivent communiquer avec le même satellite au même instant afin de recevoir toutes deux des photons intriqués de ce satellite.

Minimiser les ressources

La construction et le lancement de satellites coûtent des millions de dollars, d'où l'importance de minimiser leur nombre sans compromettre la couverture.

Les chercheurs ont modélisé un tel réseau et identifié plusieurs compromis cruciaux. Par exemple, moins de satellites placés à des altitudes plus élevées peuvent assurer une couverture mondiale, mais entraînent des pertes de photons plus importantes. À l'inverse, des satellites à plus basse altitude ne peuvent couvrir que des distances plus courtes entre stations terrestres.

Selon l'équipe, le meilleur compromis serait un réseau d'environ 400 satellites volant à 3 000 km d'altitude. Pour comparaison, le GPS compte 24 satellites à 20 000 km d'altitude.

Cependant, la distance maximale entre deux stations terrestres resterait limitée à 7 500 km. Un tel réseau pourrait donc prendre en charge une communication sécurisée entre New York et Londres (5 500 km), mais pas entre Houston et Londres (7 800 km).

Malgré cet inconvénient majeur, l'Internet quantique spatial surpasserait considérablement les réseaux terrestres de répéteurs quantiques (où un répéteur doit être installé tous les 200 km).

Néanmoins, des réseaux hybrides combinant plateformes de communication quantique spatiale et répéteurs quantiques terrestres pourraient concrétiser cette vision.