Depuis un siècle, la mécanique quantique explique que les lois qui régissent le monde microscopique ne sont pas celles auxquelles nous sommes habitués dans notre quotidien. On parle là des atomes, de leurs électrons et de leurs noyaux, des molécules que les atomes peuvent former, mais aussi des particules de lumière que sont les photons. Tous ces objets sont parmi les plus petits éléments du monde physique. Ils sont si petits que chacun ne peut contenir qu'une quantité finie d'informations et ne peut donc donner qu'un petit nombre de réponses quand on l'interroge en le mesurant.
Or il existe un grand nombre de façons de les questionner, via des contextes expérimentaux différents. Les lois de la physique résolvent cet écart entre le nombre de questions et celui des réponses possibles, en recourant à une forme d'indéterminisme: la plupart des réponses ne sont pas certaines, mais tirées au sort. Ce que l'on sait calculer, c'est seulement la probabilité d'obtenir telle ou telle réponse. C'est ce qui donne l'impression qu'un objet quantique peut être dans plusieurs états différents en même temps. En fait, la vision correcte est que son état n'est déterminé qu'au moment où on le mesure et en fonction du contexte de mesure. Si, ensuite, le contexte ne change pas, l'état de l'objet quantique reste fixé avec certitude.
Par Mathias Van den Bossche,
directeur R&D et politique produits de Thales Alenia Space
Si, maintenant, on considère un système étendu -par exemple, deux photons jumeaux émis en même temps mais partant dans deux directions distinctes-, on peut avoir des contextes de mesure localisés à différents endroits (par exemple deux polarimètres distants pour les deux photons jumeaux). Dans untel cas, on observe des phénomènes intrigants: les mesures, réellement aléatoires et faites aux divers endroits sans que chaque élément du système ne puisse communiquer, donnent des résultats qui s'avèrent, lorsqu'on les compare a posteriori, compatibles, comme si le même tirage au sort les avait sélectionnés ensemble. Les chercheurs, dont le Français Alain Aspect, ont compris, prouvé et utilisé ce phénomène de corrélations quantiques (intrication), qui leur a valu le prix Nobel de physique en 2022. Enfin, le phénomène de décohérence explique pourquoi bien qu'étant constitués d'objets quantiques, nous n'en sommes pas nous-mêmes. Lorsqu'on fait interagir de nombreux objets quantiques entre eux, ils perdent leurs propriétés exotiques et se mettent à se comporter comme vous et moi. La décohérence est donc l'ennemi principal des technologues quantiques.
1. De la première révolution quantique aux communications quantiques
À partir des années 1950, on a commencé à jouer avec ces différents objets. La manipulation de grandes quantités d'électrons dans les semi-conducteurs a permis de développer toute l'électronique et les moyens de calcul modernes. La maîtrise des flux de photons produits par des lasers a abouti à la photonique et aux infrastructures de communication actuelles. Les horloges atomiques qui jouent avec les électrons de certains atomes donnent les références de temps les plus stables qui existent. En observant le mouvement des moments magnétiques des noyaux des atomes de notre corps, la résonance magnétique nucléaire est devenue un outil précieux de la médecine contemporaine. A posteriori, on a appelé première révolution quantique la naissance de toutes ces technologies qui utilisent de grandes quantités d'objets quantiques pour extraire, manipuler ou transporter de grandes quantités d'information. Dans ces systèmes, une partie des propriétés quantiques est noyée dans la masse et ne se voit plus.
CE QU'IL FAUT RETENIR
Deux usages de la physique quantique sont envisagés pour les communications. Le premier consiste à sécuriser les échanges d'information en générant une clé de chiffrement confidentielle, partagée et réellement aléatoire. Le second, dont le potentiel est bien plus important, utilise le phénomène d'intrication pour téléporter directement, d'un point à un autre, un état quantique, comme celui d'un qubit d'un ordinateur quantique, sans possibilité d'interception. Dans les deux cas, la réalisation d'un réseau de communication longue distance passera par des liaisons satellitaires.
À partir des années 1980, on a commencé à savoir jouer non plus avec des flux d'objets quantiques mais avec des objets individuels, électron par électron, ou photon par photon. Toutes les propriétés quantiques sont alors visibles et on peut les utiliser pour développer de nouvelles technologies, regroupées sous le terme de seconde révolution quantique et se répartissant en trois grandes catégories: capteurs, calculs et communications. Les capteurs quantiques utilisent soit la très grande stabilité de certains systèmes quantiques pour en faire des références ultra-stables (horloges), soit la très grande sensibilité à l'environnement d'autres systèmes pour en faire des sondes extrêmement sensibles (antennes, centrales à inertie). Le calcul quantique utilise les lois de la physique quantique auxquelles des bits quantiques (qubits) obéissent pour implémenter de nouvelles portes logiques, et avec elles de nouveaux algorithmes. Ces lois quantiques leur confèrent notamment une sorte de parallélisme massif qui rend simples des calculs dont les ordinateurs actuels ne peuvent venir à bout. Enfin, les communications quantiques, fondées sur la transmission de photons, relient à distance des ordinateurs ou des capteurs quantiques pour augmenter encore leurs performances. En outre, elles sont sécurisées par construction.
De manière concrète, ces communications vont donner naissance à des réseaux, dont la structure sera à la fois terrestre et spatiale. En effet, transmettre des photons un par un revient à jouer avec des signaux d'une énergie infime (10^-10 W, soit 100 picowatts) si l'on en envoie un milliard par seconde). La fibre optique des réseaux terrestres peut les transporter, mais en absorbe quelques pourcents par kilomètre. Au bout de quelques dizaines de kilomètres, il n'en reste plus assez pour les exploiter. Les réseaux de fibre optique comptent des amplificateurs afin de communiquer plus loin. Mais amplifier un signal quantique revient à le mesurer pour le régénérer. Or, mesurer fait choisir une des issues possibles, une de celles fixées par le contexte, et perd les autres. L'information quantique est donc dégradée irrémédiablement. Cela signifie qu'il faudra vivre avec les pertes du réseau, et donc choisir un milieu de propagation le plus transparent possible. Il n'y a pas mieux pour cela que l'espace libre entre le sol et un satellite. De plus, un satellite est visible sur des centaines de kilomètres depuis le sol. Au final, les réseaux de communication quantique seront très certainement fibrés à l'échelle d'une métropole, tandis que les métropoles seront connectées entre elles par des satellites -assez incontournables pour les longues distances (fig. 1). D'où l'activité de la division spatiale de Thales dans les communications quantiques.
Florent Robert 2. Réseaux sécurisés par voie quantique
Une utilisation partielle des lois quantiques permet déjà de partager du vrai hasard confidentiel. C'est une immense avancée. Il n'y a en effet pas devrai hasard dans l'informatique classique: les séquences de nombres en apparence aléatoires que l'on peut générer sont en fait le résultat d'un calcul très compliqué. Il est théoriquement possible de deviner de telles séquences en refaisant un calcul, encore plus compliqué, certes, mais potentiellement accessible à un ordinateur quantique. A contrario, avec le hasard extrait de l'aléa des mesures de systèmes quantiques, aucun calcul ne peut donner la solution. Et moyennant un protocole de traitement des résultats de ces mesures, on sait garantir que seuls les deux agents qui exécutent le protocole connaissent la séquence de nombres aléatoires qui en est tirée. Une telle ressource est le rêve des cryptographes, car il génère des clés de chiffrement d'une sécurité absolue. Cette utilisation partielle est connue sous divers noms (quantum key distribution, cryptographie quantique, clés quantiques), tous relativement impropres. On peut appeler « réseaux sécurisés par voie quantique » (quantum-secured networks) les réseaux sécurisés qui s'appuient sur cette technologie.(fig. 2)
Florent Robert Si l'on décide d'utiliser en outre une clé de chiffrement aussi longue que le message à chiffrer, absolument aucune méthode de cryptanalyse ne pourra révéler le contenu du message. On parle de la sécurité inconditionnelle. D'autre part, les clés successives étant indépendantes les unes des autres, si l'une est compromise, il faut refaire le même travail de percement pour compromettre la suivante. C'est ce qu'on appelle la sécurité persistante. Enfin, cette technologie peut être couplée avec d'autres méthodes qui font que percer le système demande de l'attaquer à de nombreux niveaux simultanément. C'est de la défense en profondeur. Ces trois propriétés sont le Graal du monde des communications sécurisées.
Les protocoles les plus matures ont été inventés entre 1984 et 2002 (fig. 3). Ils ont donné lieu à des expériences de terrain à l'échelle d'une ville. Nous y avons participé dès la décennie 2000 avec l'Institut d'Optique et Sorbonne Université, mais aussi de nombreux partenaires en Europe. De plus en plus d'entreprises se lancent sur le marché de la fabrication de dispositifs prêts à être branchés sur les réseaux de fibre optique, qui les mettent en œuvre. Ainsi, nombre de réseaux expérimentaux se mettent en place (Genève, Londres, Singapour, Paris, Boston. .. Le record est détenu par Shanghai-Pékin). Pour les liens longue distance, le satellite Micius, de l'Académie chinoise des sciences et technologies, a démontré une liaison Pékin-Vienne dès 2017.
Florent Robert Cette technologie présente cependant un point faible. À ce stade, les protocoles les plus simples à mettre en œuvre sécurisent bien des liens point à point entre deux nœuds d'un réseau. En revanche, les clés de chiffrement doivent être stockées et manipulées en clair dans chaque nœud de réseau. Elles y sont donc cyber-vulnérables au même titre que n'importe quelle information. D'où, pour le moment, une attitude réservée des agences de sécurité pour cette approche.
3. Réseaux d'information quantiques
Il est possible d'aller au-delà d'une simple application pour la sécurisation des communications, au prix de défis nettement plus ambitieux. En utilisant tout ce que la physique quantique peut fournir au domaine des télécommunications, on peut transférer d'un endroit à l'autre de l'information quantique. C'est celle-ci que manipulent les ordinateurs quantiques ou que peuvent produire certains capteurs quantiques
C'est une information plus riche que les 0 et les 1 de nos ordinateurs classiques, car elle contient, en plus, toutes les probabilités de mesure et les corrélations entre les résultats de mesures distantes mentionnés ci-dessus. Cette information quantique peut être déplacée en utilisant le mécanisme de téléportation d'état quantique. C'est un protocole que l'on sait réaliser depuis un quart de siècle et qui exploite le lien entre deux objets quantiques, distants mais corrélés, pour faire passer l'information quantique stockée près du premier objet vers le second objet. Ces corrélations sont la ressource que l'on utilise pour communiquer, comme d'autres utilisent les ondes radio. On appelle « réseaux d'information quantique » de tels systèmes. Il est clair pour Thales que, à long terme, cette seconde utilisation représente le véritable enjeu.
Le principe de la téléportation d'états est le suivant. Considérons une particule, issue d'un ordinateur quantique, qui est dans un état correspondant au résultat d'un calcul. Je veux - sans le détruire - transmettre cet état, c'est-à-dire l'information quantique qu'il contient, à une collègue distante pour qu'elle continue le calcul par exemple, car je suis à cours de moyens. Pour cela, je fais appel à un intermédiaire. Il va émettre vers ma collègue et moi une paire de photons intriqués. Le cœur de l'opération revient alors à placer le photon que j'ai reçu et la particule que m'adonnée l'ordinateur quantique dans un contexte de mesure où ils forment un système unique en mesurant une grandeur caractérisant ce système, par exemple la somme de leursmoments cinétiques. Ce faisant, je vais projeter ma particule et mon photon dans des états déterminés, mais l'état initial de ma particule vase retrouver transféré sur l'autre photon, que ma collègue reçoit. L'état a été téléporté vers l'autre photon, et ma collègue peut continuer son calcul. Ces paires de photons intriqués constituent la ressource de communication (fig. 4).
Florent Robert On peut pousser cette expérience plus loin. En effet, mes paires de photons ne vont pas pouvoir se propager au-delà d'une certaine distance. Mais le mécanisme de téléportation contient aussi la solution à ce problème. En effet, au lieu de n'avoir qu'un seul intermédiaire, on peut en avoir plusieurs le long d'une chaîne. Chacun échange une des paires de photons avec ses deux voisins, qui font des mesures à deux photons sur chaque nœud intermédiaire. Dans ce cas-là, ce qu'on téléporte, ce n'est pas l'information mais la ressource d'intrication elle-même. C'est analogue au travail des opérateurs des premiers réseaux téléphoniques qui commutaient les lignes pour mettre en contact deux usagers. Le résultat est que les photons qui sortent des deux liens les plus éloignés sont intriqués comme s'il n'y avait qu'un seul lien, alors qu'ils ne se sont jamais croisés. On peut donc les utiliser pour téléporter de l'information debout en bout.
À ce niveau, il faut comprendre plusieurs choses. La première, c'est qu'une fois la corrélation établie à longue distance, on peut oublier tous les intermédiaires, l'information « saute » directement d'un bout à l'autre. C'est donc très différent d'internet où les équipements du réseau se passent en permanence de l'information, en la regroupant en paquets qui seront dépaquetés, recombinés autrement ailleurs... Ici, rien de tel. Il n'y a pas de répéteurs, on ne se passe que de la ressource. La deuxième, c'est que cette ressource est consommable -chaque téléportation détruit des photons- et périssable, par phénomène de décohérence. Ces deux aspects sont nouveaux en télécommunications. La troisième, c'est que le travail d'un réseau d'information quantique consiste à générer de la ressource d'intrication, de déterminer quel va être le meilleur chemin entre deux utilisateurs et de commuter la ressource le long de ce trajet.
L'intérêt de se livrer à ces opérations, c'est que mettre des ordinateurs quantiques en réseau doit s'avérer extrêmement rentable. En effet, si la ressource de calcul des ordinateurs classiques mis en réseau est la somme des ressources de chaque ordinateur, dans le monde quantique, les ressources se multiplient entre elles. Si nous sommes deux à avoir 1000 qubits, il est nettement plus intéressant de mettre ces moyens en commun, quitte à partager en deux le temps dont nous en disposons, car 1 000 x1 000 /2 est toujours bien plus grand que 1 000. Parallèlement, dans le monde des capteurs classiques, mettre cinq capteurs ensemble divise l'erreur de mesure par √5, soit 2,2. Alors qu'avoir cinq capteurs quantiques cohérents réduit l'erreur de mesure directement d'un facteur 5. En outre, avec untel réseau d'information quantique, on peut faire de la sécurité quantique directement entre les deux usagers, donc sans le maillon faible que constituent les nœuds intermédiaires: ils ne jouent plus de rôle sensible (fig. 5).
Florent Robert Comparées aux réseaux sécurisés par voie quantique, ces opérations sont nettement plus ambitieuses, mais aussi nettement plus prometteuses. L'état de l'art est donc moins avancé mais le domaine bien plus motivant. Au sol, plusieurs équipes, dont celles avec lesquelles nous collaborons à Nice (Alpes-Maritimes) et à Delft (Pays-Bas), ont réalisé des liens d'une trentaine de kilomètres dans de la fibre optique. Dans l'espace, le satellite chinois Micius a pu réaliser des téléportations sol-bord, ainsi que distribuer de l'intrication utilisable vers deux stations distantes de 1200 km au sol. La situation est telle que même si les supports physiques ne sont pas parfaits, le travail de standardisation pour concevoir des réseaux interopérables a commencé au sein de l'organisme de standardisation de l'internet. Un élément important à noter: pour finaliser ces réseaux, il convient de développer des mémoires quantiques pouvant stocker quelque temps les états à transmettre.
4. Perspectives
L'histoire nous a montré qu'une fois les ordinateurs classiques inventés dans les années 1950, leur mise en réseau vingt ans plus tarda ouvert un champ des possibles que personne n'imaginait au départ. Notre époque invente les ordinateurs quantiques. Il serait dommage de ne pas tenir compte des leçons du passé et de ne pas préparer, dès maintenant, les réseaux qui les connecteront. En outre, si on arrive à contenir l'effet rebond, on peut nourrir un espoir de réduction de consommation d'énergie avec ces technologies qui sont significativement plus efficaces pour transmettre ou manipuler de l'information. Reste que l'ampleur des défis à relever pour développer des réseaux quantiques nécessite des plans à long terme et des objectifs bien ciblés, avec des jalons raisonnables, tout en tenant compte de la compétition mondiale qui s'est engagée sur le sujet. Car cette vision est partagée dans des pays clés. On a mentionné la Chine, qui a pris de l'avance. Toujours hors d'Europe, il faut notamment compter avec le centre de technologies quantiques de Singapour et ses jeunes pousses, ou les États-Unis avec leur Quantum internet blueprint, accompagné d'un budget de plusieurs centaines de millions de dollars pour des sociétés comme Qunnect ou Bohr Quantum, qui œuvrent dans le sens du développement de ces réseaux. En Europe, c'est aux Pays-Bas et en France que ce sujet est porté avec le plus de vigueur, avec un soutien de la Commission européenne (projet Quantum Internet Alliance), de l'Agence spatiale européenne (ESA), du Cnes (projet Te-Quants) et du CNRS (PEPR QCOM), en partenariat étroit avec l'industrie, menée par Thales.
Notre entreprise travaille en effet dans le domaine de la sécurité quantique depuis deux décennies, et nous voyons bien que le véritable enjeu est dans les réseaux d'information quantiques. Nous avons donc un plan à deux branches. Faire fructifier l'aspect sécurité avec les acteurs qui le demandent, en particulier en Europe (projet EuroQCI/Iris² et ses dérivés), en travaillant avec des PME qui apportent des éléments clés et des opérateurs de télécommunication qui expriment leurs besoins. Mais surtout, développer les compétences nécessaires pour construire les réseaux qui connecteront les ordinateurs et les capteurs quantiques. Nous avons défini un plan en 2018, et nous l'exécutons depuis. La première étape était de comprendre avec nos partenaires académiques les mécanismes de base, l'état de l'art de leur mise en œuvre et la répartition des fonctions dans un réseau, à composantes terrestre et spatiale. Sur cette base, nous avons identifié les technologies qu'il fallait faire mûrir prioritairement. Nous avons conçu un système de démonstration spatiale que nous appelons Qin-sat (Quantum information network satellite). Dans une deuxième étape, nous avons développé des maquettes des éléments prioritaires. Nous en sommes maintenant à la troisième étape qui consiste à définir de façon plus détaillée les plans du système de démonstration complet, que nous construirons à l'étape suivante.
Notre plan est de démontrer dans une première phase, d'ici à 2027, avec le Cnes, l'ESA, l'UE et nos partenaires industriels et académiques, que nous savons produire et générer de la ressource d'intrication de qualité, y compris dans l'espace. Et que nous savons la distribuer vers des nœuds de réseau distants comme des stations au sol, futures stations de connexion métropolitaines. Dans la phase suivante, d'ici à la fin de cette décennie, nous comptons mettre à jour ces nœuds en les équipant de mémoires quantiques qui commenceront à être disponibles, pour construire un démonstrateur de réseau étendu sur plusieurs liens. Nous considérons qu'à ce moment-là, les constructeurs d'ordinateurs quantiques auront démarré l'exploitation de leurs machines et que nous arriverons à temps pour commencer leur mise en réseau. Les opérateurs de télécommunications seront alors très certainement preneurs du déploiement de réseaux d'information quantiques opérationnels dans le courant de la décennie 2030.
Nous nous comparons un peu à Marconi qui, à la fin du XIXe siècle, avait construit les premières antennes radio sur la Côte d'Opale et tentait devoir si on recevait du signal de l'autre côté de la Manche. Une aventure technologique de cette ampleur semble s'ouvrir devant nous.
