Démonstration de communication quantique sur fibres optiques dépassant 600 km

8 juin 2021

par Toshiba Corporation

Le laboratoire de recherche de Cambridge de Toshiba Europe a annoncé aujourd'hui la première démonstration de communication quantique sur des fibres optiques dépassant 600 km de longueur. Cette percée permettra le transfert d'informations sécurisées quantiques à longue distance entre les zones métropolitaines et constitue une avancée majeure vers la construction du futur Internet quantique.

Le terme Internet quantique décrit un réseau mondial d'ordinateurs quantiques connectés par des liaisons de communication quantiques longue distance. Il devrait permettre la solution ultrarapide de problèmes d'optimisation complexes dans le cloud, un système de chronométrage global plus précis et des communications hautement sécurisées dans le monde entier. Plusieurs grandes initiatives gouvernementales visant à construire un Internet quantique ont été annoncées, par exemple aux États-Unis, dans l'UE et en Chine.

L'un des défis technologiques les plus difficiles dans la construction de l'Internet quantique est le problème de la transmission des bits quantiques sur de longues fibres optiques. De petits changements dans les conditions ambiantes, telles que les fluctuations de température, provoquent l'expansion et la contraction des fibres, brouillant ainsi les qubits fragiles, qui sont codés comme un retard de phase d'une faible impulsion optique dans la fibre.

Aujourd'hui, Toshiba a démontré des distances record pour les communications quantiques en introduisant une nouvelle technique de stabilisation "double bande". Celui-ci envoie deux signaux de référence optiques à des longueurs d'onde différentes pour minimiser les fluctuations de phase sur les fibres longues. La première longueur d'onde est utilisée pour annuler les fluctuations à variation rapide, tandis que la seconde longueur d'onde, à la même longueur d'onde que les qubits optiques, est utilisée pour un réglage fin de la phase. Après avoir déployé ces nouvelles techniques, Toshiba a découvert qu'il était possible de maintenir constante la phase optique d'un signal quantique à une fraction de longueur d'onde près, avec une précision de 10 s de nanomètres, même après propagation à travers 100 s de km de fibre. Sans annuler ces fluctuations en temps réel, la fibre se dilaterait et se contracterait avec les changements de température, brouillant les informations quantiques.

La première application de la stabilisation bi-bande concernera la distribution de clé quantique (QKD) longue distance. Les systèmes QKD commerciaux sont limités à environ 100-200 km de fibre. En 2018, Toshiba a proposé le protocole Twin Field QKD comme moyen d'étendre la distance et a testé sa résistance à la perte optique à l'aide de fibres courtes et d'atténuateurs. En introduisant la technique de stabilisation à double bande, Toshiba a maintenant mis en œuvre le Twin Field QKD sur de longues fibres et a démontré le QKD sur 600 km, pour la première fois.

"C'est un résultat très excitant", commente Mirko Pittaluga, premier auteur de l'article décrivant les résultats. "Avec les nouvelles techniques que nous avons développées, d'autres extensions de la distance de communication pour QKD sont encore possibles et nos solutions peuvent également être appliquées à d'autres protocoles et applications de communication quantique."

Andrew Shields, responsable de la division Quantum Technology chez Toshiba Europe, déclare : « QKD a été utilisé pour sécuriser les réseaux métropolitains ces dernières années. Cette dernière avancée étend la portée maximale d'un lien quantique, de sorte qu'il est possible de connecter des villes à travers pays et continents, sans utiliser de nœuds intermédiaires de confiance. Mis en œuvre avec Satellite QKD, il nous permettra de construire un réseau mondial pour les communications sécurisées quantiques.

Taro Shimada, vice-président senior et directeur numérique de Toshiba Corporation, explique : « Avec ce succès dans la technologie quantique, Toshiba est prêt à étendre rapidement son activité quantique. Notre vision est une plate-forme pour les services de technologie de l'information quantique, qui permettent non seulement une communication sécurisée à l'échelle mondiale, mais également des technologies transformationnelles telles que l'informatique quantique basée sur le cloud et la détection quantique distribuée."

Les détails de l'avancement sont publiés aujourd'hui dans la revue scientifique Nature Photonics. Le travail a été partiellement financé par l'UE via le projet H2020, OpenQKD. L'équipe conçoit actuellement les solutions proposées pour simplifier leur adoption et leur déploiement futurs.

Ce dernier développement fait suite à l'annonce l'année dernière que BT et Toshiba avaient installé le premier réseau industriel quantique sécurisé du Royaume-Uni. En transmettant les données entre le National Composites Center (NCC) et le Center for Modeling & Simulation (CFMS), la compatibilité de multiplexage de Toshiba permet aux données et aux clés quantiques d'être transmises sur la même fibre, éliminant ainsi le besoin d'une infrastructure dédiée coûteuse pour la distribution des clés. L'arrivée combinée de QKD multiplexés utilisant l'infrastructure existante pour des distances plus courtes, aux côtés de Twin Field QKD pour des distances plus longues, ouvre la voie à un réseau mondial sécurisé quantique commercialement viable.

QKD permet aux utilisateurs d'échanger en toute sécurité des informations confidentielles (telles que des relevés bancaires, des dossiers médicaux, des appels privés) sur un canal de communication non fiable (comme Internet). Pour ce faire, il distribue aux utilisateurs visés une clé secrète commune qui peut être utilisée pour chiffrer, et donc protéger, les informations échangées sur le canal de communication. La sécurité de la clé secrète repose sur les propriétés fondamentales des systèmes quantiques individuels (les photons, les particules de lumière) qui sont codés et transmis pour la génération de la clé. Dans le cas où ces photons seraient interceptés par un utilisateur non désigné, la physique quantique garantit que les utilisateurs visés peuvent percevoir l'écoute clandestine, et par conséquent protéger la communication.

Contrairement à d'autres solutions de sécurité existantes, la sécurité de la cryptographie quantique découle directement des lois de la physique que nous utilisons pour décrire le monde qui nous entoure, et pour cette raison, elle est protégée contre toute avancée future des mathématiques et de l'informatique (y compris l'avènement des ordinateurs quantiques ). À la lumière de cela, QKD devrait devenir un outil essentiel pour protéger les communications critiques pour les entreprises et les gouvernements.

Plus d'information: Mirko Pittaluga et al, communications quantiques de type répéteur de 600 km avec stabilisation à double bande, Nature Photonics (2021). DOI : 10.1038/s41566-021-00811-0

Informations sur la revue :Photonique de la nature

Fourni par Toshiba Corporation