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Article. Avancée chinoise remarquable en matière de communication quantique.

Jean-Paul Baquiast 16/08/2017


Le satellite chinois Micius

On appelle Distribution Quantique de Clefs (en abrégé QKD pour Quantum key distribution) une méthode utilisant la mécanique quantique pour garantir une communication sécurisée. Elle permet à deux parties (Alice et Bob dans le vocabulaire courant) de produire une clé secrète aléatoire partagée qui soit connue seulement d'eux. Cette clé peut ensuite être utilisée pour chiffrer et déchiffrer des messages.

Pourquoi une clef? En communication cryptée classique, Alice peut convenir avec Bob, à l'avance, d'une clef permettant de chiffrer et déchiffrer les messages qu'ils échangent. Mais comme les espions peuvent relativement facilement, en étudiant un message chiffré avec cette clef, découvrir la clef utilisée, il faut en changer souvent.

Si Alice est séparée de Bob, ils devront se prévenir mutuellement de la clef de remplacement qu'ils ont choisie. Mais ce message, à son tour, pourra être déchiffré. Ils devront se prévenir également, s'ils utilisent une méthode dite de génération aléatoire de clef, du type de génération aléatoire qu'ils auront choisie. Les espions déchiffreront à leur tour ces différents messages, sans nécessairement se faire repérer. Alice et Bob ne pourront donc jamais savoir en temps utile s'ils sont espionnés.

Aussi, très vite, Alice et Bob ont décidé d'utiliser la mécanique quantique pour échapper à ce type d'espionnage. Celle-ci ne permet pas d'éviter le décryptage, mais elle leur permet tout au moins de savoir immédiatement s'ils ont été espionnés. Ils sont alors sur leur garde et peuvent à nouveau changer de clef – si dans l'intervalle ils n'ont pas réussi à découvrir qui les espionnait.

Rappelons qu'une propriété importante et unique de la distribution quantique de clés est la capacité qu'elle donne aux deux utilisateurs Alice et Bob de communiquer en détectant la présence d'un tiers essayant de prendre connaissance de cette clé.

Cela résulte d'un aspect fondamental de la mécanique quantique : le processus de mesure d'un système quantique perturbe le système. Si l'on nomme système quantique la production d'une particule quantique ou qubit, analogue quantique du bit, qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique, l'interaction de ce qubit avec la mesure qu'essaye d'en faire un espion détruit la « cohérence » de cette particule. Elle se comporte alors comme une particule ordinaire. Alice ou Bob peuvent s'en apercevoir immédiatement et cesser de communiquer en utilisant cette clef. Ils seront certes obligés d'en utiliser une autre. La cryptologie quantique, selon le terme utilisé, ne permet pas d'obtenir des messages au contenu inviolable. Elle permet par contre de détecter les écoutes.

Il faut noter que dans l'état actuel de la cryptologie quantique, les qubits échangés peuvent être détruits par l'interaction avec les particules de l'environnement, si la ligne de communication est trop longue. Celle-ci ne doit pas aujourd'hui dépasser quelques 1.500 km. Pour communiquer à plus longue distance, il faut mettre en place des relais, procédure toujours coûteuse.

Les spécialistes en cryptologie quantique avaient depuis longtemps envisagé d'utiliser un satellite en orbite basse pour jouer ce rôle de relais entre points très distants. Mais le coût et la difficulté de mise en place et d'utilisation d'un tel satellite avaient jusqu'ici découragé d'utiliser cette méthode.

L'annonce par la Chine de son succès dans la réalisation d'une communication quantique satellitaire opérationnelle n'est donc pas passée inaperçue. Elle montre d'abord la compétence acquise par ce pays en matière de communication satellitaire. Elle inquiète aussi les autres grands puissances, Etats-Unis en premier, car la Chine pourra, au moins avant d'être rejointe, communiquer d'un bout à l'autre de son territoire, ou avec d'autres pays alliés, sans pouvoir être espionnée.

Micius

Une équipe de scientifiques chinois vient en effet de publier dans la revue Nature (cf référence ci-dessous), un article décrivant un satellite chinois nommé Micius (philosophe chinois du Ve siècle) permettant de réaliser la QKD depuis deux stations à terre, quelque soit leur distance, en utilisant ce satellite. Ils ont nommé cette méthode Quantum Experiments at Space Scale (QUESS). Ce succès permettra à la Chine de se doter, la première au monde, d'un réseau mondial de communication quantique résistant aux tentatives d'espionnage.

Micius est un satellite de 600 kg qui a été placé depuis août 2016.en orbite synchronisée avec le soleil,. Celle-ci est située à une altitude de 500 km. Lorsque le satellite survole la Chine, il offre un temps de communication d'environ 10mn suffisant pour envoyer des messages utiles. La Chine n'en avait pas parlé jusqu'à présent.

Rappelons qu'il ne faut pas confondre communication quantique avec calcul quantique. Celui-ci suppose la réalisation de calculateurs quantiques ayant des débits suffisants. Beaucoup de pays y travaillent, notamment pour les Etats-Unis Google. Mais si ces ordinateurs quantiques ne peuvent pas communiquer entre eux sur des distances suffisantes, ils perdront une partie de leur intérêt.

Les ambitions de la Chine dans le domaine de l'exploration scientifique de l'espace ne se limitent à la communication quantique. Elle devrait dans les 10 prochaines années lancer d'autres satellites scientifiques, pour étudier entre autres les origines de l'univers, les trous noirs, les ondes gravitationnelles, les exoplanètes et les tempêtes solaires.

Voici ce qui devrait encourager Donald Trump à détruire la Chine, ou tout au moins la rendre inopérationnelle, comme il continue d'annoncer vouloir le faire.

Référence

http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature23655.html

Abstract

Quantum key distribution (QKD) uses individual light quanta in quantum superposition states to guarantee unconditional communication security between distant parties. In practice, the achievable distance for QKD has been limited to a few hundred kilometres, owing to the channel loss of fibers or terrestrial free space that exponentially reduced the photon rate. Satellite-based QKD promises to establish a global-scale quantum network by exploiting the negligible photon loss and decoherence in the empty out space. Here we develop and launch a low-Earth-orbit satellite to implement decoy-state QKD with over kHz key rate from the satellite to ground over a distance of up to 1,200?km, which is up to 20 orders of magnitudes more efficient than that expected using an optical fiber (with 0.2 dB/km loss) of the same length. The establishment of a reliable and efficient space-to-ground link for faithful quantum state transmission paves the way to global-scale quantum network

Note au 16/08, 20h

Les Chinois fournissent de plus en plus d'information sur le thème de cet article et plus généralement sur leurs ambitions en matière de spatial scientifique. Nous n'avons pas ici les moyens de suivre la question au jour le jour. Bornons-nous à indiquer qu'ils affirment désormais vouloir coopérer avec des universitaires ou industriels européens du domaine. Ceci représentera une forme d'ouverture indéniable, dans la perspective de constituer un réseau élargi de communication quantique. La France devrait être intéressée.

Source (en chinois) http://news.xinhuanet.com/

Pour en savoir plus, voir notamment :

Chinese scientists aim to launch more quantum satellites
http://www.spacewar.com/reports/Chinese_scientists_aim_to_launch_more_quantum_satellites_999.html

Note
au 28/08/2017

Voir aussi
http://www.spacewar.com/reports/High_dimensional_quantum_encryption_performed_in_real_world
_city_conditions_for_first_time_999.html

L'article est muet sur la réalisation chinoise.