axe Communications quantiques

Schéma (à gauche) et image (au centre) d’une structure comportant une microcavité entourée d’électrodes permettant d’accorder la fréquence de l’atome artificiel (une boîte quantique unique) avec celle de la cavité. On peut ainsi extraire des photons individuels de cette structure avec une très grande efficacité (image de droite) – C2N / CNRS

Le but des communications quantiques est de transférer un état quantique d’un endroit à un autre. De tels états portent de l’information quantique, ce qui permet d’effectuer des tâches impossibles à atteindre avec des moyens purement classiques de transfert et de traitement de l’information. L’exemple le plus célèbre de cet avantage quantique est la distribution quantique de clés (QKD, en anglais). Ce protocole permet l’échange d’un message secret entre deux interlocuteurs, avec un niveau de sécurité indépendant des capacités d’un espion éventuel, contrairement aux algorithmes cryptographiques utilisés dans les réseaux de communication actuels. A cause de son importance pour les applications concrètes, la QKD et plus généralement la cryptographie quantique se sont développées très rapidement ces dernières années, aussi bien théoriquement (preuves de sécurité, critères de validation des appareils) qu’expérimentalement (systèmes de plus en plus performants). Elle apparait donc comme un précurseur pour les technologies quantiques, notamment pour la transition entre recherche et applications « sorties du laboratoire ».

Dans ce domaine, la région Ile-De-France est très bien dotée avec des équipes évoluant à l’état de l’art mondial et une synergie entre théorie-expérience et physique-informatique exceptionnelle. Plusieurs industriels (Thales, Nokia, Systrel,…) sont concernés, sur le plan des applications ou sur celui des ressources technologiques.
Nous précisons ici trois grands axes et leurs objectifs, en utilisant des technologies développées en IdF.

1) Cryptographie quantique : Un enjeu majeur est le développement de dispositifs miniaturisés et intégrés dans les réseaux de communication actuels ; cette direction est poursuivie par des équipes franciliennes, en utilisant l’amplitude et la phase d’états cohérents pour le codage de l’information (CV-QKD).

2) Sources et détecteurs de photons uniques et d’états intriqués : Les études en cours concernent les sources semiconductrices intégrées injectées électriquement, et aussi celles basées sur des matériaux non-linéaires et des émetteurs uniques (centres NV du diamant). L’intrication matière-lumière et les compteurs de photons supraconducteurs de nouvelle génération seront également développés.

3) Communications quantiques à longue distance : Pour dépasser la portée actuelle des systèmes QKD (inférieure à 100 km de point à point), un enjeu majeur est le développement de « répéteurs quantiques », capables de relayer le transfert d’information quantique, et non plus classique. Il faut pour cela pouvoir stocker l’information quantique sur une longue durée, avec une grande efficacité et une grande bande passante. Il faut aussi pouvoir traiter cette information, en utilisant des « portes logiques quantiques », comme dans un calculateur. Les expériences en cours sur les mémoires utilisent des atomes froids couplés à des fibres optiques, ou des cristaux dopés terres rares. Les portes logiques quantiques utilisent des photons individuels couplés par des atomes de Rydberg, ou des atomes artificiels. L’utilisation de systèmes hybrides entre plusieurs de ces techniques, étudiés et développés avec succès par des équipes IdF, ouvre la voie à des des réseaux polyvalents, qui pourront à terme garantir des communications quantiques sécurisées.

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