Actualités Optique & Photonique

Stewart Wills

Une équipe de recherche de l'Université de Calgary, au Canada, et de l'Université de Floride centrale, aux États-Unis, a modélisé comment des engins spatiaux rapprochés en orbite terrestre basse, équipés de miroirs pour le relais de signaux à faible perte, pourraient servir de « lentilles satellite » en orbite pour permettre des réseaux de communications quantiques à l’échelle mondiale. [Image : avec l'aimable autorisation de S. Goswami]

Les chercheurs et l’industrie envisagent de plus en plus la perspective de réseaux de communication mondiaux qui tireraient parti de la sécurité offerte par la technologie quantique. Une pierre d’achoppement, cependant, a été le manque de « répéteurs quantiques » évolutifs analogues à ceux qui maintiennent les signaux optiques en vie dans les réseaux de fibres classiques longue distance.

Comme alternative, certains groupes de recherche étudient les communications quantiques par satellite, dans lesquelles les informations quantiques circuleraient sur des faisceaux laser entre des engins spatiaux en orbite terrestre basse (LEO). Pourtant, même les projets de satellite comportent leurs pièges. La perte de photons dans les faisceaux laser diffractants, ainsi que la courbure de la Terre elle-même, limiteraient probablement les distances réalistes des liaisons quantiques à haut rendement entre les satellites LEO à moins de 2 000 km.

Les chercheurs Sumit Goswami de l'Université de Calgary, au Canada, et Sayandip Dhara de l'Université de Floride centrale, aux États-Unis, ont présenté une proposition montrant comment ces pièges pourraient être surmontés (Phys. Rev. Appl., doi : 10.1103/PhysRevApplied .20.024048). Leur proposition consiste à relayer des signaux quantiques délicats à travers une chaîne de satellites relativement rapprochés et se déplaçant de manière synchrone. Ces satellites, suggèrent les deux hommes, pourraient effectivement agir « comme un ensemble de lentilles sur une table optique », focalisant et courbant les faisceaux le long de la courbure de la Terre et empêchant la perte de photons sur des distances allant jusqu'à 20 000 km, sans avoir besoin de répéteurs quantiques.

Alors que Goswami et Dhara désignent métaphoriquement les nœuds de leur réseau quantique entièrement satellite (ASQN) comme des lentilles de satellite, en réalité, la magie optique se produit avec des miroirs, pour maintenir les pertes de photons liées à l'absorption à un minimum absolu. En termes simplifiés, un satellite donné de la chaîne envoie un faisceau de lumière au suivant, distant peut-être de 120 km. Le satellite suivant capture et recentre le faisceau avec un miroir de réception et le fait rebondir sur deux miroirs plus petits vers un miroir de transmission final, qui relaie le signal vers le satellite suivant de la chaîne.

Selon leur proposition, disent les chercheurs, les satellites rapprochés agissent effectivement « comme un ensemble de lentilles sur une table optique », focalisant et courbant les faisceaux le long de la courbure de la Terre et empêchant la perte de photons due à la diffraction.

Dans leur modélisation, Goswami et Dhara ont considéré une chaîne de satellites, chacun séparé du suivant de 120 km ; étant donné la divergence attendue du faisceau en orbite terrestre, cela implique un diamètre de télescope de 60 cm pour chaque satellite. La modélisation de l'équipe suggère qu'une telle configuration de relais, avec le signal quantique transmis de satellite en satellite par réflexion, éliminerait pratiquement la perte de diffraction sur des distances de 20 000 km.

Une fois la perte de diffraction réglée, Goswami et Dhara ont méthodiquement examiné d'autres sources potentielles de perte dans le système de lentilles satellite. L’un des problèmes les plus évidents est la perte de réflexion de certains photons au niveau des miroirs eux-mêmes, qui, selon les deux hommes, pourrait être gérable grâce à une configuration combinant de grands miroirs métalliques et de petits miroirs de Bragg à ultra haute réflectivité. Une autre source de perte réside dans les erreurs de poursuite et de positionnement des satellites de la chaîne ; de tels contretemps devraient être réduits au minimum pour maintenir les satellites synchronisés les uns avec les autres.

Une dernière source de perte n’a rien à voir avec les satellites. En fonction de l'architecture de communication quantique, les informations quantiques doivent être transmises depuis et vers les stations situées à la surface de la Terre. Pour les signaux optiques en espace libre, cela ouvre la perspective de pertes de données dues aux turbulences atmosphériques, qui peuvent augmenter considérablement la taille et la propagation du faisceau.