Lancement par la Chine d’un satellite “quantique”

06/10/2016
Auteurs : Marc Leconte
Publication REE REE 2016-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-4:17358

Résumé

Lancement par la Chine d’un satellite “quantique”

Métriques

57
11
166.23 Ko
 application/pdf
bitcache://ab4b39db31df1909ebc0de173b9fb6a931abeff6

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2016-4/17358</identifier><creators><creator><creatorName>Marc Leconte</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Lancement par la Chine d’un satellite “quantique”</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2016</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Thu 6 Oct 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 10 Aug 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">ab4b39db31df1909ebc0de173b9fb6a931abeff6</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>29413</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

20 Z REE N°4/2016 La mission Quantum Experiment at Space Scale (QUESS) a été lancée le 16 août 2016 à 1h40, heure locale du centre de lancement Jiuquan au nord de la Chine. Le satellite, appe- lé Mozi (ou Micius) du nom d’un philosophe chinois, doit démontrer la faisabilité des commu- nications quantiques entre l’espace et la Terre et tester l’intrication de photons sur des distances sans précédent jusqu’à présent. Le programme QUESS résulte d’une collaboration entre l’Aca- démie chinoise des sciences et l’Académie autri- chienne des sciences. Rappels sur les techniques de chiffrement : l’apport de la cryptographie quantique De tout temps le chiffrement des messages a été utili- sé pour transmettre des données secrètes. Différentes mé- thodes ont été imaginées avec bien sûr, face à elles, le risque de voir percé le secret des données. Avec l’arrivée de l’infor- matique, le chiffrement est devenu électronique. Les don- nées à chiffrer devinrent des bits et les lettres de l’alphabet furent converties en binaire selon divers protocoles. Un grand apport des calculateurs électroniques a été la possibilité de programmer le chiffrement et d’offrir un grand éventail de choix et une grande rapidité. Ces caractéristiques ont fait de la clé de chiffrement l’élément le plus important de la chaîne de chiffrement mais aussi le point faible potentiel. Les travaux de Shannon ont ainsi démontré en 1948 qu’un chiffrement ne pouvait être parfaitement sécurisé qu’à la condition que la clé soit de même taille que la donnée et ne soit utilisée qu’une seule fois. La fabrication des clés et leur gestion de- vinrent rapidement un problème crucial au fur et à mesure que le nombre de transactions à sécuriser augmentait. Le concept de distribution de clés apparut alors comme une solution à ce problème. Et pour le résoudre, les cher- cheurs développèrent une méthode de transmission de clés dite « asymétrique », dans laquelle la clé de chiffrement et la clé de déchiffrement sont des nombres différents. Un émetteur garde secrète sa clé de déchiffrement appelée « clé privée » mais peut diffuser à tout le monde sa clé de chiffrement appelée « clé publique », ce qui permet d’éviter les échanges de clés devant rester secrètes. A la fin des an- nées 70, un groupe de trois chercheurs, Rivest, Shamir et Adleman, proposa une solution algorithmique permettant de mettre en œuvre le concept de clé asymétrique, connue sous l’acronyme RSA, qui est, depuis cette date, l’une des bases du chiffrement asymétrique classique. Figure 1 : Vue d’artiste montrant le projet de transmission de clés entre deux stations sol et le satellite de la mission QUESS. ACTUALITÉS Lancement par la Chine d’un satellite « quantique » REE N°4/2016 Z 21 Toutefois les systèmes asymétriques risquent de ne pas rester inviolés indéfiniment. S’ils venaient à être craqués, il faudrait imaginer d’autres solutions et c’est là que la crypto- graphie quantique peut intervenir. Celle-ci consiste à utiliser les propriétés de la physique quantique pour établir des pro- tocoles de chiffrement qui permettent d’atteindre des niveaux de sécurité qu’on ne peut atteindre par la cryptographie clas- sique. Cette technique est particulièrement bien adaptée à la distribution quantique de clés secrètes (QKD: quantum key distribution) entre deux interlocuteurs distants, tout en assu- rant la sécurité totale de la transmission grâce à l’utilisation de paires de photons intriqués, c’est-à-dire qui possèdent des propriétés physiques qui restent corrélées quelle que soit la distance pouvant s’établir entre des photons « jumeaux ». Cette technologie permet à coup sûr de savoir si la clé a été intercep- tée lorsqu’elle a été distribuée et donc de revenir sans risque à des systèmes symétriques. Le premier protocole de cryptographie quantique proposé en 1984 par Charles Bennet et Gilles Brassard, connu sous le terme de BB84, s’appuie sur quatre états de polarisation. Les émetteur et récepteur du message utilisent un canal de transmission quantique par lequel ils s’échangent des photons polarisés en parallèle avec un canal public. L’intercepteur, s’il existe, peut intercepter le canal quantique et le canal public. Le canal public sert à échanger les séquences des choix de polarisation des photons. En premier lieu, l’émetteur envoie une série de photons de polarisation aléatoire. Le récepteur reçoit les photons et choisit au hasard l’une des polarisations. Il indique ensuite publiquement quel type de mesure il a ef- fectué mais sans révéler le résultat de la mesure. L’émetteur lui répond pour chaque cas s’il est bien en conformité avec le récepteur et se trouve alors en possession d’une clé secrète. Si l’intercepteur, qui connait les filtres utilisés par le récepteur, intercepte un photon, il a une chance sur deux de perturber le message en faisant une mauvaise mesure mais il est aus- si dans l’incapacité d’effectuer la mesure une deuxième fois. L’interception est prouvée de manière probabiliste si le taux d’erreur excède une certaine valeur. On remarquera que, dans sa version la plus simple, le protocole BB84 ne requiert pas de photons dans des états intriqués ou superposés. Si des photons dans des états intriqués sont utilisés, récepteur et in- tercepteur n’ont accès qu’au deuxième photon mais n’importe quelle mesure de ce dernier détruit l’intrication. Beaucoup de progrès ont été faits depuis le premier pro- tocole BB84. A la fin des années 90, des dispositifs pouvant transmettre des clés secrètes à un débit de l’ordre du kbit/s dans des fibres optiques ont été commercialisés. A la fin des années 2000, une nouvelle génération de produits a été mise au point en utilisant des détecteurs supraconducteurs. La transmission des clés a atteint alors une distance de 250 km lors de l’expérimentation effectuée par l’équipe de Nicolas Gi- sin à Genève. En parallèle, Philippe Granger a étudié non plus des photons uniques mais des états cohérents de la matière qui pouvaient être détectés par des photodiodes. Mais à ce stade la transmission par fibre semblait avoir atteint ses limites du fait de l’atténuation des lignes et il s’avérait impossible prati- quement de dupliquer des états cohérents pour les réémettre. C’est ainsi que les spécialistes de cryptographie quantique se sont tournés vers la transmission en air libre. Distribution de clés quantiques via des satellites Dans les années 2000, l’intérêt s’est donc porté vers les communications optiques en air libre en menant des expé- riences au sommet des montagnes, là où les perturbations atmosphériques sont moins élevées qu’au sol pour la trans- mission de clés. Les moyens de transmission et de réception sont devenus alors le laser et le télescope. Des impulsions laser très atténuées sont utilisées comme sources de pho- tons. Par rapport aux fibres optiques, la transmission dans l’atmosphère présente l’avantage d’une moindre absorption et de l’absence de biréfringence ce qui permet un maintien de la polarisation. Elle est toutefois soumise aux conditions météorologiques et autres causes de turbulences atmosphé- riques et bien sûr sensible à l’interposition d’obstacle sur la ligne de visée. L’utilisation de satellite en orbite basse – entre 500 et 2 000 km – constitue l’une des solutions pour remé- dier à ces inconvénients. Plusieurs expériences de validation de ces principes ont été réalisées ces dernières années. En 2005, C.-Z. Peng et ses collègues ont rapporté la première distribution de paires de photons intriqués sur une distance de plus de 13 km, au-delà de l’épaisseur effective de l’aérosphère. C’était une première étape importante vers la communication quantique globale par satellite car elle a montré que l’intrication des photons émis se maintenait après la propagation dans l’at- mosphère malgré les turbulences. En 2007, deux expériences ont été réalisées dans les îles Canaries dans le cadre d’une collaboration européenne de plusieurs laboratoires spécialisés. La distribution quantique de clés était réalisée selon le protocole BB84 au moyen de photons intriqués, et en utilisant une technique dite des « états leurres »1 . La transmission a été réalisée en espace libre sur une distance de 144 km, reliant La Palma à Tenerife. Pour ces expériences, la station sol de l’Agence spatiale euro- péenne, conçue pour l’étude des communications optiques standard entre les satellites et la Terre, a été adaptée aux 1 La technique des états leurres (decoy states) consiste à utiliser des sources multiphotons à niveaux d’intensité différents qui permettent d’augmenter la longueur de transmission sans altérer son intégrité. ACTUALITÉS 22 Z REE N°4/2016 communications quantiques (figure 2). Il est important de souligner que la source à deux photons a pu atteindre des taux de coïncidence temporelle suffisants pour compenser l’atténuation du canal satellite-sol. Cette expérience a fini de démontrer la faisabilité des communications quantiques entre le sol et des satellites en orbite basse et le papier qui lui est associé2 a été abondamment cité. Le programme chinois QUESS C’est dans ce contexte que se situe le dernier lancement effectué par les Chinois dans le cadre de la mission QUESS. En effet, dans ce cas, l’essentiel du parcours des photons se fait dans le vide et seule une fraction du parcours, environ 10 km, s’effectue dans l’atmosphère. Commencé en 2011, le programme chinois Quess a conduit au lancement, le 16 août 2016, du satellite Mozi de 600 kg, mis en orbite depuis la Terre à environ 500 km au-dessus du sol. L’instrument principal est un interféromètre « Sagnac » qui est utilisé pour générer deux photons infrarouges intriqués en braquant un laser ultraviolet sur un cristal optique non-linéaire. Les principaux objectifs de QUESS visent à démontrer la fai- sabilité de la distribution de clés quantiques (QKD) entre le satellite et deux stations distantes de 2 500 km sur le terrain : Nanshan, un télescope de 25 m à l’observatoire astronomique du Xinjiang en Chine occidentale, et l’observatoire Xinglong à Yanshan, à environ 200 km au sud de Pékin. Ces expérimen- 2 Schmitt-Manderbach, T., Weier, H., Fürst, M., Ursin, R., Tiefenbacher, F., Scheidl, T. & Zeilinger, A. (2007). Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km. Physical Review Letters, 98(1), 010504. tations seront effectuées uniquement par l’équipe chinoise, a indiqué Jianwei Pan de l’Université de la science et de la tech- nologie chinoise, qui est le directeur scientifique de QUESS. Celle-ci va ensuite collaborer avec le Pr. Anton Zeilinger et ses collègues de l’Université de Vienne en vue de créer un canal QKD intercontinental entre Pékin et Vienne, avec la possibilité d’y associer des stations en Italie et en Allemagne. QUESS sera le premier test de la communication quantique par satellite, a indiqué Anton Zeilinger. Le programme européen Space-QUEST L’Agence spatiale européenne (ESA) a également lancé à partir de 2002, dans le cadre de son programme de re- cherche, plusieurs études dans le domaine des communi- cations quantiques pour les systèmes spatiaux. À la suite de ces travaux, un consortium européen de recherche dirigé par le professeur Zeilinger déjà cité, a présenté le programme de la mission Space-QUEST3 (Quantum Entanglement for Space Experiment : Intrication quantique dans des expérimenta- tions spatiales) dans le cadre des programmes de sciences physiques dans l’espace de l’ESA, visant à une expérimenta- tion de communication quantique espace-sol depuis la sta- tion spatiale Internationale ISS. Ce programme est en cours 3 Ursin, R., Jennewein, T., Kofler, J., Perdigues, J. M., Cacciapuoti, L., de Matos, C. J., ... & Barbieri, C. (2009). Space-quest, experiments with quantum entanglement in space. Europhysics News, 40(3), 26-29. et Armengol, J. M. P., Furch, B., de Matos, C. J., Minster, O., Cacciapuoti, L., Pfennigbauer, M., ... & Baister, G. (2008). Quantum communications at ESA: Towards a space experiment on the ISS. Acta Astronautica, 63(1), 165-178. Figure 2 : Schéma de l’expérimentation des Canaries. BS : séparateur de faisceau. PBS : séparateurs de faisceau polarisé. HPW : semi réfléchissant. ACTUALITÉS REE N°4/2016 Z 23 et il présente de grandes similitudes avec le programme chinois à ceci près que le programme européen utilise la station spatiale internationale au lieu d’un satellite. On no- tera l’implication dans ces deux programmes du laboratoire d’Anton Zeilinger de Vienne ce qui montre la volonté des Chinois de collaborer avec l’Europe tout en restant maître d’œuvre du programme d’expérimentation à bord de leur sa- tellite dit « quantique ». Conclusion Le lancement du satellite chinois s’inscrit dans les expé- rimentations de distribution de clés quantiques dans l’air et dans l’espace qui se sont développées depuis une bonne dizaine d’années. Depuis longtemps la Chine a mis en place de nombreux laboratoires de recherche spécialisés dans l’ex- ploitation de la cryptographie quantique pour développer un chiffrement hyper-sécurisé. Face aux expérimentations pré- vues en Europe avec l’ISS dans ce domaine, il existait de fortes probabilités que ce pays développe son propre pro- gramme en s’appuyant sur un satellite d’émission lancé de- puis le sol chinois afin de ne pas se faire distancer au plan international. Ceci n’exclut pas d’ailleurs des interactions, voire des recherches en commun avec d’autres programmes spatiaux comme le montre la collaboration entamée avec un laboratoire autrichien. Q Marc Leconte ACTUALITÉS Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité L’encombrement du spectre électromagnétique, tout par- ticulièrement, dans les fréquences les plus faciles d’utilisa- tion, est un obstacle au développement des nouvelles appli- cations des radiocommunications. Par ailleurs, les utilisateurs sont de plus en plus friands de fréquences libres qui évitent d’avoir à souscrire un contrat de licence auprès des autorités compétentes et permettent de mettre sur le marché des pro- duits d’usage universel dès lors que les bandes de fréquence se trouvent suffisamment ouvertes dans le monde. Dans les Actualités de la REE 2016-3, nous avons évoqué l’élargissement envisagé en Europe et en France de la bande libre des 865-868 MHz afin de donner de nouvelles possi- bilités de développement aux RFID et à l’Internet des objets. Dans le présent article, nous appelons l’attention de nos lecteurs sur le potentiel offert par la bande EHF (Extrême- ment haute fréquence) allant de 30 à 300 GHz, qui corres- pond à des longueurs d’onde de 1 à 10 mm. Cette bande est aujourd’hui utilisée pour des applications relevant des domaines militaires, de l’astronomie et de la sécurité (scree- ning des passagers dans les aéroports). Elle offre pour les radiocommunications des ressources en bande passante très importantes qui permettent notamment d’envisager le dé- veloppement de nouvelles technologies de transmission en ultra-large bande. Mais l’utilisation des ondes millimétriques se heurte à de grosses difficultés. Il faut bien évidemment disposer de com- posants électroniques présentant la dynamique nécessaire – c’est un point sur lequel nous revenons ci-après –, mais il faut également composer avec la forte atténuation par les murs, les feuillages et les gaz de l’atmosphère. En particulier, les signaux aux alentours de 60 GHz correspondent à une fréquence de résonance de la molécule O2 et sont sévère- ment atténués. La vapeur d’eau présente également des pics d’absorption, quoique plutôt entre 20 et 30 GHz. Les ondes millimétriques sont donc a priori limitées aux transmissions à courte distance, typiquement sur des distances inférieures à 1 km. Cependant, les inconvénients peuvent constituer des avantages : la forte atténuation rend plus facile la réutilisation des fréquences et la propension à la diffusion et à la dif- fraction des ondes multiplie les chemins de propagation et ouvre la voie à l’usage de technologies MI-MO. Les courtes longueurs d’onde permettent de réaliser de petites antennes en plus grand nombre, avec des faisceaux plus étroits. L’organisation des fréquences La bande des 60 GHz est à présent reconnue comme une bande libre d’accès dans la plupart des pays, avec une largeur comprise entre 5 et 9 GHz qui dépend des réglementations locales. Le tableau 1 donne un extrait du tableau annexé à la dé- cision Arcep 2014/1263 du 6 novembre 2014 qui intègre les décisions les plus récentes prises au niveau européen, notamment la décision d’exécution de la Commission 2013/752/UE du 11 décembre 2013 relative à l’harmoni- sation du spectre radioélectrique en vue de l’utilisation de dispositifs à courte portée. Aux Etats-Unis, la FCC (Federal Communications Commis- sion) a étendu le 18 juillet 2016 la bande libre 57-64 GHz jusqu’à 71 GHz. Selon les pays, des fréquences à des niveaux divers peuvent être concédées sous licence pour les applications de radiocommunications et en particulier pour la 5G. Ainsi,