Des chercheurs coréens ont réussi à établir une théorie de protection des mesures (MP) qui permet une distribution stable des clés quantiques (QKD) sans avoir besoin de correction des mesures des états quantiques, et l'ont vérifiée expérimentalement.
L’Institut de recherche en électronique et télécommunications (ETRI), grâce à des recherches conjointes avec le KAIST, a développé pour la première fois au monde une nouvelle technologie capable de mettre en œuvre une communication quantique stable même dans des environnements en mouvement tels que les satellites, les navires et les drones.
La communication quantique est une technologie de haut niveau qui transmet des informations dans l'état quantique de la lumière. Mais dans un environnement mobile et en espace libre, la communication est fortement affectée par les conditions météorologiques et les changements de l’environnement, ce qui la rend instable. En particulier, la transmission stable d’états quantiques s’avère extrêmement difficile dans des environnements dynamiques où l’état des canaux change en temps réel, comme le ciel, la mer ou l’air.
Cette recherche, publiée dans le Journal IEEE sur certains domaines des communicationssurmonte ces limitations, démontrant pour la première fois la faisabilité technique d'un échange d'informations quantiques stable, même en mouvement.
On s'attend à ce que cette réalisation conduise à des applications dans divers domaines, tels que les communications sécurisées satellite-sol, les communications par drones et les communications maritimes.
QKD est une technologie qui distribue des clés de chiffrement basées sur les principes de la mécanique quantique, rendant les écoutes clandestines fondamentalement impossibles. Les protocoles QKD conventionnels nécessitaient un étalonnage répété du récepteur’s appareils de mesure chaque fois que les conditions du canal changeaient.
Cependant, cette recherche a prouvé qu'une distribution stable des clés peut être obtenue quelles que soient les conditions du canal avec seulement de simples opérations locales. La théorie a été développée par le professeur Bae Jun-woo’L'équipe du KAIST et les expériences ont été menées par des chercheurs de l'ETRI.
Pour générer des impulsions à photons uniques, les chercheurs ont utilisé une source de lumière de 100 MHz, un laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), un type de laser à semi-conducteur qui émet verticalement depuis la surface supérieure de la puce.
Ils ont mis en œuvre un environnement de transmission longue distance en espace libre avec une perte allant jusqu'à 30 dB sur un trajet de 10 mètres, introduit divers bruits de polarisation pour simuler des conditions difficiles en espace libre et vérifié le succès de la transmission et des mesures quantiques. De plus, trois plaques d'onde ont été installées sur l'émetteur et le récepteur pour mettre en œuvre des opérations locales.
En conséquence, il a été démontré que le système QKD basé sur la protection des mesures (MP) peut augmenter la performance du système.’Le taux d'erreur quantique sur les bits (QBER) maximum autorisé, qui représente le pourcentage de bits quantiques transmis contenant des erreurs, jusqu'à 20,7 % par rapport aux systèmes existants.
Cela signifie qu'une distribution stable de clés quantiques est possible sans compensation de mesure supplémentaire tant que le taux d'erreur parmi les bits quantiques reçus est inférieur à 20,7 %. Cela ouvre la voie à une communication quantique fiable en réalisant une génération de clé stable dans divers environnements de canaux bruyants sans étalonnage. Les chercheurs s’attendent à ce que ces résultats soient applicables dans des environnements similaires aux liaisons satellite-sol.
Les résultats ont été publiés en juin dans le Journal sur certains domaines des communications. Ko Haesin, chercheur à l'ETRI et KAIST’s Le Dr Spiros Kechrimparis a participé en tant que co-premiers auteurs.
Parallèlement, l'ETRI a également présenté une méthode expérimentale de compensation pour le problème de la « perte dépendante de la polarisation », un défi clé pour l'application pratique du QKD. Cette recherche devrait contribuer à la commercialisation d’équipements QKD compacts et légers en s’attaquant à la dégradation des performances des systèmes QKD intégrés à base de puces.
Le QKD intégré est considéré comme une technologie de nouvelle génération pour remplacer les systèmes optiques encombrants et coûteux, mais la perte liée à la polarisation lors de l'intégration peut constituer un obstacle majeur.
Les chercheurs de l'ETRI ont démontré expérimentalement que cette perte peut être compensée avec des composants optiques simples et appliquée aux systèmes QKD basés sur la polarisation pour obtenir une distribution de clé stable sans dégradation des performances. Cette réalisation a également été publiée comme article de couverture dans « Technologies quantiques avancées« .
« La recherche sur les puces photoniques intégrées est indispensable à l'expansion du marché du QKD, et des recherches supplémentaires sont nécessaires car de nombreux défis techniques doivent être surmontés lors de la mise en œuvre de systèmes QKD basés sur des puces photoniques intégrées, notamment les pertes dépendantes de la polarisation », a déclaré Lim Kyong Chun, chercheur principal à l'ETRI.’s Division de recherche sur la communication quantique.
Youn Chun Ju, vice-président adjoint de l'ETRI’La Division de recherche sur la technologie quantique de la Division a déclaré : « La mise en œuvre de QKD indépendamment des variations de l'état des canaux améliore considérablement la flexibilité de la cryptographie quantique. Nous allons étendre cela à la technologie de liaison longue distance en espace libre pour établir les bases d'un réseau quantique mondial.
Le professeur Bae Jun Woo du département de génie électrique du KAIST a également déclaré : « Cette réalisation constituera un tournant décisif dans la mise en place d'une communication quantique sécurisée et fiable, même dans des environnements complexes. »
