- Un banc de laboratoire reproduit les pertes et le bruit d'une liaison vers un satellite géostationnaire.
- Malgré 34 dB de pertes, l'intrication des photons est conservée, sans relais intermédiaire.
- La marge est suffisante pour produire des clés secrètes : feu vert pour le satellite HERMES-1.
Distribuer des photons intriqués sur de très longues distances est la base des communications quantiques. Dans l'expérience HERMES-QKD, une source de paires de photons intriqués en polarisation (810 nm) est reliée à un émulateur qui reproduit les pertes (34,2 dB), la dispersion et le bruit d'une liaison de 40 000 km vers l'orbite géostationnaire. La fidélité mesurée par tomographie est de 97,3 ± 0,4 % et le paramètre de Bell atteint S = 2,73 ± 0,03, bien au-delà de la limite classique de 2. Ces résultats valident le modèle du programme HERMES et la faisabilité d'un satellite quantique géostationnaire.
01L'intrication, une ressource fragile
Deux se comportent comme un seul objet, même très éloignés : mesurer la de l'un révèle instantanément celle de l'autre. Aucun résultat n'est fixé à l'avance, mais les deux sont toujours liés. C'est ce lien qui permet de fabriquer des clés de chiffrement : un espion qui intercepte un photon brise la corrélation et se trahit.
Le problème, c'est la distance. Dans une fibre optique, la moitié des photons est perdue tous les 15 km. Dans le vide spatial, les pertes sont bien plus faibles, ce qui a fait des satellites les meilleurs candidats. Jusqu'ici, les démonstrations se limitaient à l'orbite basse, vers 1 200 km. Le programme HERMES vise l'orbite géostationnaire, plus stable car le satellite y reste fixe dans le ciel, mais trente fois plus loin.
02Le dispositif
Une source de photons jumeaux
Un laser violet (405 nm) traverse un cristal qui, très rarement, transforme un photon en deux photons infrarouges (810 nm) intriqués. Les paires sont séparées, filtrées, puis envoyées dans l'émulateur de canal avant d'atteindre deux détecteurs ultrasensibles, capables de compter les photons un par un.
Survolez ou touchez un élément pour le décrire.
40 000 km dans une boîte
L'émulateur reproduit ce que subirait la lumière entre le sol et le satellite : l'affaiblissement du faisceau, l'étalement des impulsions et la lumière parasite du ciel. Les pertes s'expriment en : 34,2 dB signifient qu'une seule paire sur 2 630 arrive complète.
03Résultats
Une fidélité qui résiste aux pertes
La mesure à quel point l'état reçu ressemble à l'état parfait. Elle baisse à mesure que les pertes augmentent, car le bruit de fond pèse de plus en plus face aux rares photons utiles. À la distance géostationnaire, elle atteint 97,3 %, très au-dessus du seuil de 83,5 % sous lequel une clé ne pourrait plus être garantie secrète.
| Liaison simulée | Pertes | Fidélité | Paramètre S | Paires/s |
|---|---|---|---|---|
| Sans canal | 0 dB | 99,6 % | 2,81 | 180 000 |
| Orbite basse (1 200 km) | 14,8 dB | 98,9 % | 2,79 | 5 900 |
| Orbite moyenne (20 000 km) | 28,1 dB | 98,1 % | 2,76 | 280 |
| Géostationnaire (40 000 km) | 34,2 dB | 97,3 % | 2,73 | 68 |
| Géostationnaire + turbulence | 36,7 dB | 96,1 % | 2,68 | 38 |
La preuve par l'inégalité de Bell
Pour s'assurer que le lien est bien quantique, on calcule le paramètre S de l'. Aucun mécanisme classique, même caché, ne peut dépasser S = 2. La physique quantique autorise jusqu'à 2,83. À 40 000 km simulés, nous mesurons S = 2,73 ± 0,03, soit 24 fois l'incertitude au-dessus de la limite classique.
Le portrait de l'état reçu
La reconstruit l'état des deux photons à partir de 36 réglages de mesure. Le résultat, une grille de 4 × 4 valeurs, doit ressembler à quatre colonnes égales aux coins : c'est la signature d'une paire parfaitement intriquée.
04Discussion
La fidélité mesurée (97,3 %) est légèrement inférieure à la prévision du modèle (97,6 %). L'écart vient surtout de l'alignement du cristal, précis à 0,03° près, et d'un léger défaut du filtre en bord de bande. Un cristal stabilisé en température et un nouveau filtre sont en cours de développement.
Combien de clé secrète ?Avec 1,8 % d'erreurs sur les bits, chaque paire détectée fournit environ 0,74 bit de . Le banc produit donc une cinquantaine de bits secrets par seconde : de quoi renouveler une clé de chiffrement de 256 bits toutes les 5 secondes. Le satellite, équipé de télescopes plus grands, devrait faire bien mieux.
Le passage au vol demande de miniaturiser la source. La version embarquée intégrera le cristal et le filtre sur une puce photonique de 45 × 30 mm, bien plus robuste aux vibrations du lancement que le montage de laboratoire.
05Conclusion
HERMES-QKD montre que l'intrication de photons survit, en laboratoire, aux pertes et au bruit d'une liaison géostationnaire, avec une marge confortable pour produire des clés secrètes. Le modèle du programme HERMES est validé : la conception du satellite peut avancer.
- Banc validé97,3 % de fidélité à 40 000 km simulés.
- Revue de conceptionSource miniaturisée sur puce photonique.
- Satellite HERMES-1Premier lien quantique géostationnaire.
