Bonjour, Habr! Je vous présente la traduction de l'article "Pourquoi l'Internet quantique devrait être construit dans l'espace" de MIT Technology Review.
Les physiciens pensent que la meilleure façon de diffuser un réseau quantique à travers le monde est une énorme constellation de satellites en orbite.
Créé par Emerging Technology de l'arXiv
Internet quantique est le rêve de nombreux ingénieurs dont on a parlé ces dernières années. L'idée est d'utiliser les propriétés inhabituelles des photons et des électrons pour envoyer des messages incroyablement sécurisés.
Cette technologie a une application évidente pour le gouvernement et l'armée, mais
les banques et d'autres domaines de la finance sont également intéressés, qui doivent tout protéger, des contrats aux transferts d'argent. Plus important encore, ce type de protection est de plus en plus
nécessaire en raison des ordinateurs quantiques qui peuvent déchiffrer les codes utilisés
pour protéger la plupart des messages.
Nous posons donc une question intéressante: "Comment les scientifiques et les ingénieurs devraient-ils résoudre le problème de la construction d'un Internet quantique qui couvrira le monde entier?"
Aujourd'hui, grâce à Sumeet Khatri et à ses collègues de la Louisiana State University, nous avons la réponse. Son équipe a étudié diverses façons de créer l'Internet quantique et a prouvé que la solution la plus rentable serait de construire une constellation de satellites quantiques capables d'envoyer en continu des photons "intriqués" sur la Terre. En d'autres termes, l'Internet quantique devrait être l'espace.
Tout d'abord, un peu d'histoire. La clé de tout réseau quantique est l'étrange propriété de l'intrication. Un phénomène dans lequel deux particules quantiques sont dans le même état, même si elles sont séparées par une distance énorme. Cela garantit que la mesure de l'état d'une particule affecte immédiatement une autre, un effet que Einstein a appelé «une action à longue portée étrange».
Les physiciens propagent généralement l'intrication en utilisant une paire de photons créés à un moment donné et en même temps. Lorsque les photons sont envoyés dans des directions différentes, les subtilités qui les relient peuvent être utilisées pour envoyer des messages sécurisés.
Le problème est que l'enchevêtrement est fragile et difficile à maintenir. Toute petite interaction entre l'un des photons et l'espace environnant détruit la connexion. Bien sûr, c'est exactement ce qui se passe lorsque les physiciens envoient des photons à travers l'atmosphère ou la fibre. Les photons interagissent avec d'autres atomes dans l'atmosphère ou le verre, la liaison est détruite. Par conséquent, la distance maximale à laquelle la confusion peut être maintenue n'est que de quelques centaines de kilomètres.
Comment alors construire un réseau quantique qui couvrira toute la planète? Une option est l'utilisation de «répéteurs quantiques», des appareils qui mesurent les propriétés quantiques des photons à la réception et transmettent ces propriétés aux nouveaux photons qui sont envoyés. Cela maintient la confusion, vous permettant de le transmettre d'un répéteur à l'autre. Cependant, cette technologie est expérimentale et a besoin de quelques années de plus avant d'être utilisée commercialement.
Une autre façon consiste à créer une paire complexe de photons dans l'espace et à les envoyer à deux stations différentes sur terre. Ces deux stations se connectent, permettant l'échange de messages entre elles en toute confidentialité.
En 2017, le satellite chinois Mo-tzu a montré pour la première fois que l'intrication peut être transmise de cette manière. Il s'est avéré que les photons dans ce scénario peuvent voyager beaucoup plus loin, car seuls les 20 derniers kilomètres du chemin traversent l'atmosphère, à condition que le satellite soit haut dans le ciel et pas trop près de l'horizon.
Khatri and Co. soutiennent que la constellation de ces satellites est un excellent moyen de créer un Internet quantique mondial. L'essentiel est que pour une communication sécurisée, deux stations au sol doivent être connectées au même satellite en même temps afin qu'elles puissent en recevoir des photons intriqués.
À quelle altitude les satellites doivent-ils voler pour avoir la couverture la plus élevée possible? Et combien seront nécessaires?
Pour le moment, les satellites sont une ressource coûteuse, je voudrais donc les utiliser le moins possible, tout en conservant une couverture complète et continue. Samit Khatri & Co.
Pour donner une réponse, l'équipe a créé un modèle d'une telle constellation. Il s'est avéré que vous devez considérer plusieurs compromis importants que vous devez faire. Par exemple, moins de satellites peuvent fournir une couverture complète lorsqu'ils sont en orbite haute. Mais plus les satellites sont hauts, plus la perte de photons est importante.
De plus, les satellites en orbite basse ne peuvent couvrir que des distances plus courtes entre les stations, car les deux doivent voir le même satellite en même temps.
En acceptant ces limites, Khatri et son équipe ont proposé un meilleur équilibre: une constellation d'au moins 400 satellites volant à une altitude d'environ 3 000 kilomètres au-dessus du niveau de la mer. A titre de comparaison, le GPS coûte 24 satellites.
Même alors, la distance maximale entre les stations terriennes sera limitée à 7 500 kilomètres. Cela signifie qu'un tel système peut fournir une transmission de données sécurisée entre Londres et Mumbai, entre 7200 kilomètres, mais pas entre Londres et Houston (7800 kilomètres les uns des autres) ou toute autre ville située encore plus loin. Il s'agit d'un inconvénient important.
Malgré cela, l'Internet quantique spatial est bien supérieur au système de répéteur quantique terrestre, explique Khatri and Co. - Les répéteurs doivent être situés sur un segment de moins de 200 kilomètres, donc couvrir de grandes distances nécessitera un grand nombre de ces appareils. Cela impose son propre ensemble de restrictions sur Internet quantique.
Nous pensons que les satellites ont un avantage significatif sur le mode de propagation de l'intrication au sol. Samit Khatri & Co.
Bien entendu, un tel système nécessitera des investissements importants. La Chine a l'avantage évident d'avoir déjà expérimenté un satellite avec une telle technologie. Et ils ne vont pas s'arrêter.
Dans le même temps, moins d'ambition se manifeste en Europe et aux États-Unis à cet égard. Les choses peuvent changer rapidement si cette technologie prouve sa valeur. Ensuite, une course à l'espace quantique pourrait être sur le point de s'emballer.