Un satellite chinois a divisé des paires de "photons intriqués" et les a transmis à des stations au sol séparées à 745 miles (1 200 kilomètres) l'une de l'autre, battant le record de distance précédent pour un tel exploit et ouvrant de nouvelles possibilités en communication quantique.
En physique quantique, lorsque les particules interagissent les unes avec les autres de certaines façons, elles deviennent «enchevêtrées». Cela signifie essentiellement qu'ils restent connectés même lorsqu'ils sont séparés par de grandes distances, de sorte qu'une action effectuée sur l'un affecte l'autre.
Dans une nouvelle étude publiée en ligne aujourd'hui (15 juin) dans la revue Science, les chercheurs rapportent la distribution réussie de paires de photons enchevêtrés à deux endroits sur Terre séparés par 747,5 miles (1203 km).
L'intrication quantique a des applications intéressantes pour tester les lois fondamentales de la physique, mais aussi pour créer des systèmes de communication exceptionnellement sûrs, ont déclaré des scientifiques. En effet, la mécanique quantique déclare que la mesure d'un système quantique le perturbe inévitablement, de sorte que toute tentative d'écoute est impossible à cacher.
Mais, il est difficile de distribuer des particules enchevêtrées - normalement des photons - sur de grandes distances. Lorsque vous voyagez dans l'air ou sur des câbles à fibres optiques, l'environnement interfère avec les particules, donc à de plus grandes distances, le signal se désintègre et devient trop faible pour être utile.
En 2003, Pan Jianwei, professeur de physique quantique à l'Université des sciences et technologies de Chine, a commencé à travailler sur un système satellitaire conçu pour acheminer des paires de photons enchevêtrés vers les stations au sol. L'idée était que parce que la majeure partie du voyage des particules se ferait à travers le vide de l'espace, ce système introduirait considérablement moins d'interférences environnementales.
"Beaucoup de gens ont alors pensé que c'était une idée folle, car il était très difficile de faire déjà des expériences sophistiquées d'optique quantique à l'intérieur d'une table optique bien blindée", a déclaré Pan à Live Science. "Alors, comment pouvez-vous faire des expériences similaires à une distance de mille kilomètres et avec les éléments optiques vibrer et se déplacer à une vitesse de 8 kilomètres par seconde?"
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé le satellite chinois Micius, qui a été lancé l'année dernière, pour transmettre les paires de photons intriqués. Le satellite comprend une source de photons intriqués ultra-brillants et un système d'acquisition, de pointage et de suivi (APT) de haute précision qui utilise des lasers à balise sur le satellite et dans trois stations au sol pour aligner l'émetteur et les récepteurs.
Une fois que les photons ont atteint les stations au sol, les scientifiques ont effectué des tests et confirmé que les particules étaient toujours enchevêtrées malgré avoir parcouru entre 994 milles et 1490 milles (1600 et 2400 km), selon le stade de son orbite où le satellite était positionné.
Seuls les 6 miles (10 km) les plus bas de l'atmosphère terrestre sont suffisamment épais pour provoquer des interférences importantes avec les photons, selon les scientifiques. Cela signifie que l'efficacité globale de leur lien était considérablement plus élevée que les méthodes précédentes pour distribuer des photons intriqués via des câbles à fibres optiques, selon les scientifiques.
"Nous avons déjà atteint une efficacité de distribution de l'intrication à deux photons un billion de fois plus efficace que l'utilisation des meilleures fibres de télécommunications", a déclaré Pan. "Nous avons fait quelque chose qui était absolument impossible sans le satellite."
Outre la réalisation d'expériences, l'une des utilisations potentielles de ce type de système est la "distribution de clés quantiques", dans laquelle des systèmes de communication quantiques sont utilisés pour partager entre deux parties une clé de chiffrement impossible à intercepter sans alerter les utilisateurs. Lorsqu'il est combiné avec l'algorithme de cryptage correct, ce système est non craquable même si des messages cryptés sont envoyés sur des canaux de communication normaux, ont déclaré des experts.
Artur Ekert, professeur de physique quantique à l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, a été le premier à décrire comment les photons intriqués pouvaient être utilisés pour transmettre une clé de chiffrement.
"L'expérience chinoise est une réalisation technologique tout à fait remarquable", a déclaré Ekert à Live Science. "Quand j'ai proposé la distribution de clé quantique basée sur l'intrication en 1991 alors que j'étais étudiant à Oxford, je ne m'attendais pas à ce qu'elle soit élevée à de telles hauteurs!"
Selon Pan, le satellite actuel n'est pas tout à fait prêt à être utilisé dans des systèmes de communication quantique pratiques. D'une part, son orbite relativement basse signifie que chaque station au sol n'a une couverture que d'environ 5 minutes par jour, et la longueur d'onde des photons utilisés signifie qu'elle ne peut fonctionner que la nuit, a-t-il déclaré.
L'amélioration des temps et des zones de couverture impliquera le lancement de nouveaux satellites avec des orbites plus élevées, a déclaré Pan, mais cela nécessitera des télescopes plus grands, un suivi plus précis et une efficacité de liaison plus élevée. Le fonctionnement de jour nécessitera l'utilisation de photons dans les longueurs d'onde des télécommunications, a-t-il ajouté.
Mais tout en développant les futurs réseaux de communication quantique nécessitera un travail considérable, Thomas Jennewein, professeur agrégé à l'Institut d'informatique quantique de l'Université de Waterloo au Canada, a déclaré que le groupe de Pan a démontré l'un des éléments clés.
"Je travaille dans ce domaine de recherche depuis 2000 et j'ai effectué des recherches sur des implémentations similaires d'expériences d'intrication quantique depuis l'espace, et je peux donc témoigner de l'audace, du dévouement et des compétences dont ce groupe chinois a fait preuve", a-t-il déclaré à Live Science. .
