Objet de la note
Fixer ce que la phase II doit démontrer, et ce qui décidera de la suite.
Lancé en 2023, le programme HERMES étudie la communication quantique entre la Terre et un engin spatial. Son principe repose sur des paires de photons intriqués : toute tentative d'interception perturbe leur corrélation et se trahit. Deux interlocuteurs peuvent ainsi partager une clé de chiffrement dont la sécurité ne dépend pas de la puissance de calcul d'un adversaire.
La phase I, achevée fin 2024, a validé les briques de base en laboratoire. La présente note définit la phase II, qui s'étend de février 2025 au premier trimestre 2026. Elle a été préparée par les trois départements pilotes et validée par le comité de pilotage du 4 février 2025. Elle engage les équipes sur des objectifs mesurables et fixe les critères au vu desquels sera décidée, début 2026, l'étude d'un satellite démonstrateur.
01Bilan de la phase I (2023-2024)
La phase I avait trois objectifs : disposer d'une source de photons intriqués compacte et stable, maintenir l'intrication sur une liaison émulée représentative d'une orbite basse, et définir un protocole de distribution de clés tolérant les très longs délais d'une liaison spatiale. Les trois ont été atteints.
- Source de photons intriquésUne source intriquée en polarisation, à 810 nm, a fonctionné plus de 400 heures sans réglage manuel. Elle tient dans un volume compatible avec une charge utile de satellite.
- Liaison émulée de 20 dBSur un banc reproduisant les pertes d'une liaison d'environ 8 000 km, la fidélité d'intrication est restée de 96 %.
- Protocole à forte latenceLe DSTI et le DMA ont mis au point une distribution de clés qui supporte plusieurs secondes de délai entre les deux extrémités. Elle a fait l'objet d'une publication en 2024.
- Fonctionnement de jourLe bruit de fond dû à la lumière du jour reste trop élevé : les essais concluants ont tous été menés en conditions nocturnes simulées. Ce point est reporté en phase III.
La revue de fin de phase I, en décembre 2024, a jugé ces résultats suffisants pour viser directement l'orbite géostationnaire plutôt que de multiplier les essais intermédiaires. C'est le choix le plus exigeant, mais c'est aussi celui qui intéresse le plus les futurs utilisateurs : un satellite géostationnaire reste en permanence au-dessus de la même région et peut servir de relais à toute heure.
02Le défi de la distance
Un faisceau lumineux s'élargit en se propageant. Au-delà de quelques milliers de kilomètres, le télescope de réception n'en capte plus qu'une fraction, qui diminue avec le carré de la distance : chaque doublement fait perdre 6 dB, soit trois photons sur quatre. Faites varier la distance pour voir ce que cela représente.
- Pertes totales
- Photons reçus
- Situation
Modèle simplifié : 10 dB de pertes fixes (atmosphère, optiques, détecteurs), puis pertes géométriques au-delà de 2 500 km. Il reproduit les 34 dB attendus à 40 000 km.
Passer de 8 000 à 40 000 km multiplie par vingt-cinq environ le nombre de photons perdus. L'intrication, elle, doit survivre intacte chez les rares photons qui arrivent.
03Objectifs de la phase II
La phase II poursuit trois objectifs. Les deux premiers sont scientifiques, le troisième prépare la décision de fin de phase.
- O1Maintenir l'intrication sur une liaison géostationnaire émulée
Reproduire en laboratoire les pertes, la dispersion et le bruit d'une liaison de 40 000 km, soit environ 34 dB, et y démontrer une fidélité d'intrication d'au moins 95 %, ainsi qu'une violation nette de l'inégalité de Bell.
- O2Produire une clé secrète dans ces conditions
Appliquer le protocole de la phase I à cette liaison et obtenir une clé secrète de longueur positive après correction d'erreurs, avec un taux d'erreur quantique inférieur au seuil de sécurité.
- O3Établir la faisabilité du satellite HERMES-1
Rédiger le dossier de faisabilité d'un satellite démonstrateur géostationnaire : charge utile, station sol, budget de liaison, calendrier et coût. Ce dossier fondera la décision de passage en phase III.
04Périmètre
Dans la phase II
- Banc d'émulation de liaison jusqu'à 40 dB
- Amélioration de la source et des détecteurs
- Correction d'erreurs et amplification de confidentialité
- Étude de la charge utile et de la station sol
- Publication des résultats
Hors phase II
- Essais en conditions diurnes
- Liaison réelle avec un satellite
- Fabrication de matériel de vol
- Liaisons interplanétaires
Les liaisons interplanétaires, qui justifient le nom du programme, restent l'horizon de long terme. Elles ne pourront être envisagées qu'une fois la liaison géostationnaire démontrée en vol, pas avant la fin de la décennie.
05Organisation et responsabilités
Le programme est piloté par le département Optique et Lumière, avec le DSTI et le DMA. Le comité de pilotage, présidé par le directeur de la Direction scientifique, se réunit chaque trimestre.
| Entité | Responsabilité en phase II | Contact |
|---|---|---|
| DOLpilote | Source de photons, banc d'émulation, mesures d'intrication. Coordination du programme. | François RouxDirecteur du département |
| DOLexpérience | Conduite de la campagne de mesures sur la liaison géostationnaire émulée. | Paul MercierResponsable de l'expérience |
| DSTI | Traitement des données, correction d'erreurs, simulation du canal. | Pierre LefebvreDirecteur du département |
| DMA | Preuve de sécurité du protocole et calcul du taux de clé. | Antoine GirardDirecteur du département |
06Calendrier et moyens
- Lancement de la phase IIValidation de la présente note.
- Banc à 40 dBÉmulateur étendu et qualifié.
- Campagne de mesuresIntrication puis distribution de clés.
- Revue des résultatsPublication et dossier HERMES-1.
- DécisionPassage éventuel en phase III.
Les crédits de programme de HERMES s'élèvent à 11,6 M€ pour 2025, dont 3,1 M€ d'équipements, principalement pour les détecteurs de photons uniques et l'extension de l'émulateur. L'équipe compte l'équivalent de 34 personnes à temps plein réparties entre les trois départements, dont 7 doctorants.
07Indicateurs de réussite
Chaque indicateur a un seuil minimal, en dessous duquel l'objectif est considéré comme non atteint, et une valeur visée. La décision de fin de phase s'appuiera sur ce tableau.
| Indicateur | Seuil minimal | Valeur visée |
|---|---|---|
| Pertes de liaison émuléesO1 | 30 dB | 34 dB |
| Fidélité d'intricationO1 | 90 % | 95 % |
| Paramètre de Bell S (limite classique : 2)O1 | 2,4 | 2,6 |
| Taux d'erreur quantiqueO2 | < 11 % | < 5 % |
| Clé secrète après correctionO2 | positive | ≥ 1 kbit par heure |
| Dossier de faisabilité HERMES-1O3 | remis | déc. 2025 |
08Risques identifiés
Le comité a retenu quatre risques principaux. Chacun a un responsable et une mesure de réduction.
ÉlevéBruit des détecteurs à fortes pertes
À 34 dB, les coups parasites des détecteurs deviennent comparables au signal. Mesure : refroidissement renforcé des détecteurs, fenêtres temporelles plus étroites et synchronisation d'horloge au dixième de nanoseconde. Responsable : DOL.
MoyenDérive de polarisation dans l'émulateur
Les fibres et optiques de l'émulateur modifient lentement la polarisation, ce qui dégrade la fidélité. Mesure : compensation active toutes les dix secondes, validée en phase I sur des durées plus courtes. Responsable : DOL.
MoyenTaille finie des échantillons
Avec peu de photons reçus, les statistiques sont limitées et la sécurité de la clé plus difficile à garantir. Mesure : analyse de sécurité adaptée aux petits échantillons, développée par le DMA avant la campagne. Responsable : DMA.
FaibleDisponibilité des détecteurs de photons uniques
Les délais de livraison de ces composants sont longs. Mesure : commande passée dès janvier 2025, prêt de détecteurs par un laboratoire partenaire en cas de retard. Responsable : DOL.
09Décision du comité de pilotage
Le comité de pilotage, réuni le 4 février 2025, valide les objectifs, le périmètre, le calendrier et les indicateurs de la présente note. Il engage la phase II du programme HERMES à compter de ce jour.
Il demande qu'un point d'avancement lui soit présenté à chaque séance trimestrielle, et que tout écart significatif sur un indicateur lui soit signalé sans attendre la revue de fin de phase. La décision relative au satellite HERMES-1 sera prise au premier trimestre 2026, au vu des résultats de la campagne et du dossier de faisabilité.