Un chiffrement quantique en haute dimension dans des conditions réelles
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Les chercheurs rapportent la réussite de l’envoi d’un message protégé par un chiffrement quantique en haute dimension (4D) dans des conditions réelles d’une ville.
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Pour la première fois, les chercheurs ont envoyé un message sécurisé par le chiffrement quantique qui contenait plus d’un bit d’information entre deux bâtiments dans une ville. La démonstration a montré qu’on pourrait utiliser une communication quantique pour créer une connexion très sécurisée entre les réseaux terrestres et les satellites ce qui nécessite la création d’un réseau global de chiffrement quantique.
Le chiffrement quantique utilise des photons pour coder des informations sous la forme de bits quantiques. Dans sa forme la plus simple, connue sous le nom de chiffrement 2D, chaque photon encode un bit : soit 1 ou 0. Les scientifiques ont montré qu’un photon unique peut coder encore plus d’informations et c’est un concept connu comme le chiffrement quantique à haute dimension. Mais jusqu’à présent, on ne l’avait pas encore démontré avec une communication optique dans des conditions réelles. Avec huit bits nécessaires pour coder une seule lettre, par exemple, l’empaquetage des informations supplémentaires dans chaque photon augmenterait considérablement la transmission de données.
Nos travaux sont parmi les premiers à envoyer des messages de manière sécurisée en utilisant le chiffrement quantique à haute dimension dans des conditions réalistes d’une ville en tenant compte des turbulences selon Ebrahim Karimi de l’Université d’Ottawa. Le système de communication sécurisé que nous avons démontré pourrait connecter les stations terrestres aux satellites, proposer une connectivité dans des endroits où la fibre est trop chère ou on pourra l’utiliser pour une communication chiffrée avec un objet en mouvement comme un avion.
Publiés dans la revue Optica, les chercheurs ont démontré le chiffrement quantique 4D sur un réseau optique en espace libre couvrant deux bâtiments à 300 mètres à l’Université d’Ottawa. Ce schéma de chiffrement à haute dimension est appelé 4D, car chaque photon code deux bits d’information ce qui fournit les quatre possibilités de 01, 10, 00 ou 11.
En plus d’envoyer plus d’informations par photon, le chiffrement quantique à haute dimension peut également supporter plus de turbulence. La turbulence peut provenir de l’air, d’une électronique défaillante, de détecteurs qui ne fonctionnent pas correctement et des tentatives d’interception de données. Plus la turbulence est élevée et plus le chiffrement quantique 2D peut échouer et c’est pourquoi vous pouvez essayer d’implémenter le chiffrement 4D parce qu’il est en principe plus sécurisé et plus résistant à la turbulence selon Karimi.
L’utilisation de la lumière pour le chiffrement
Aujourd’hui, les algorithmes mathématiques sont utilisés pour chiffrer les messages, les transactions bancaires et les informations médicales. L’interception de ces messages chiffrés nécessite de déterminer l’algorithme exact utilisé pour chiffrer une donnée donnée ce qui est difficile. Mais cela deviendrait possible au cours des 10 prochaines années, car les ordinateurs deviennent plus puissants.
Étant donné que les algorithmes actuels ne seront plus suffisants dans le futur, la recherche se concentre sur des techniques de chiffrement plus robustes telles que la distribution de clés quantiques, qui utilise les propriétés de particules connues sous le nom d’états quantiques, pour coder et envoyer la clé nécessaire pour déchiffrer des données.
Même si le chiffrement quantique câblé et sans espace a déjà été déployé sur certains petits réseaux locaux, la mise en oeuvre à l’échelle mondiale nécessitera l’envoi de messages chiffrés entre les stations terrestres et les réseaux de communication quantiques sur des satellites qui connecteraient les villes et les pays. Les tests horizontaux dans l’air peuvent être utilisés pour simuler l’envoi de signaux vers les satellites et on peut utiliser une distance de 3 kilomètres à l’horizontale pour simuler un signal à travers l’atmosphère terrestre vers un satellite.
Avant d’essayer un test de trois kilomètres, les chercheurs voulaient déterminer s’il était possible d’effectuer un chiffrement quantique 4D à l’extérieur. D’autres scientifiques avaient estimé que l’expérience n’était pas possible. L’un des principaux problèmes d’une expérience en espace libre concerne la turbulence de l’air qui déforme le signal optique.
Un test du monde réel
Pour les tests, les chercheurs ont apporté leurs configurations optiques de laboratoire sur 2 toits différents et ils les ont recouverts de boîtes en bois pour garantir une certaine protection contre les éléments. Après plusieurs essais et erreurs, ils ont réussi à envoyer des messages sécurisés avec le chiffrement quantique 4D sur leur connexion. Les messages ont affiché un taux d’erreur de 11 % qui sont inférieurs au seuil de 19 % requis pour maintenir une connexion sécurisée. Ils ont également comparé le chiffrement 4D avec le 2D et après la correction d’erreur, ils ont remarqué qu’ils pouvaient transmettre 1,6 fois plus d’informations par photon avec un chiffrement quantique 4D même avec des turbulences.
Dans l’étape suivante, les chercheurs envisagent de mettre en oeuvre leur système dans un réseau qui comprend 3 connexions à environ 5,6 kilomètres de distance et qui utilise une technologie connue comme l’optique adaptative pour compenser les turbulences. Finalement, ils veulent connecter ce réseau à celui de la ville. Notre objectif à long terme est de mettre en place un réseau de communication quantique avec plusieurs connexions, mais en utilisant plus de 4 dimensions tout en essayant de contourner la turbulence selon Sit.
Source : Optica (http://dx.doi.org/10.1364/optica.4.001006)
