Communication quantique : un développement industriel guidé par la recherche scientifique

JIAO FENG, membre de la rédaction

Aujourd'hui science de pointe au niveau international, l'information quantique englobe plusieurs sous-domaines, notamment la communication quantique, le calcul quantique et la télémesure de précision quantique. Ces dernières années, l'information quantique est devenue l'un des secteurs les plus porteurs sur le plan technologique et industriel dont les grandes puissances cherchent à prendre la tête à qui mieux mieux. Des pays et régions développés, tels que les États-Unis, l'Union européenne et le Japon, ont ainsi formulé des stratégies ou feuilles de route prévoyant le développement de l'information quantique.

Dans cette course planétaire, la Chine n'est pas partie en même temps que les premiers compétiteurs, elle a débuté avec du retard et a rapidement progressé, pour finalement rattraper le niveau mondial dans de nombreux domaines d'application. De la première expérience réussie en téléportation quantique à l'échange d'intrication quantique, de la distribution quantique de clés via la fibre optique pour garantir une communication sécurisée sur une distance de plus de 100 km (une grande première internationale) à la construction du premier réseau de communication quantique à grande échelle au monde… Les scientifiques chinois rejoignent progressivement les rangs de l'élite mondiale dans la recherche en information quantique, notamment dans la technologie de communication quantique par réseaux métropolitains : cette communication quantique sécurisée reposant sur la distribution quantique de clés a déjà passé avec brio la phase d'essai en laboratoire pour entrer dans la phase d'application industrielle. Dans certaines villes chinoises, des sous-réseaux métropolitains utilisant cette technologie et passant par la fibre optique sont déjà mis en service. La Chine est ainsi devenue le leader mondial dans le domaine de la communication quantique.

2016, l'an premier de l'application industrielle

Les scientifiques ont découvert que dans l'infiniment petit, il existe une relation d'intrication entre deux quanta provenant d'une même source. Quelle que soit la distance entre eux, si l'un des deux quanta voit son état changé, l'autre le « ressent » immédiatement et modifie le sien en conséquence. La communication quantique se définit comme un mode de communication d'un tout nouveau genre qui exploite cet effet d'intrication des quanta en vue de transmettre l'information.

La communication quantique se caractérise par sa haute efficacité mais aussi sa sécurité absolue : en cas d'interception de l'information durant la transmission, l'expéditeur et le récepteur peuvent s'en apercevoir immédiatement ; quant à l'intercepteur, il n'est pas en mesure de s'emparer de la totalité de l'information, d'où la garantie de la transmission d'informations en totale sécurité. Comme les moyens de communication classiques ne possèdent pas cet atout, la communication quantique présente une grande valeur ajoutée et affiche des perspectives radieuses dans les domaines sécuritaires (sûreté de l'État, confidentialité des informations financières, etc.).

2016 peut être considéré comme l'an premier de l'industrialisation de l'information quantique en Chine, car depuis cette année, le pays ne cesse de réaliser des percées dans ce domaine. La Chine a déjà quasiment constitué une chaîne industrielle de l'information quantique, qui couvre la production des composantes clés de la communication quantique, la fabrication des équipements de la communication quantique, la construction de réseaux de transmission, ainsi que l'exploitation et l'application de ces réseaux.

Le 16 août 2016, le premier satellite quantique au monde Micius (ou Mozi) a été lancé à titre expérimental par la Chine, qui est ainsi devenu le premier pays à tester la communication quantique entre un satellite et le sol. Le 18 octobre, la première ligne de communication quantique à usage commercial au monde, la ligne Shanghai-Hangzhou (section du Zhejiang) s'étirant sur 260 km, a été mise en service. Un certain nombre d'organismes gouvernementaux et d'institutions bancaires locales s'en servent déjà. Peu de temps après, les travaux de construction d'une ligne de communication quantique sécurisée, qui sera destinée principalement à la transmission d'informations confidentielles clés et desservira de nombreuses villes entre Beijing et Shanghai ont également été achevés. Des banques commerciales d'État ont commencé à utiliser cet axe de communication pour la transmission et la sauvegarde sécurisée de leurs données. Ces projets soulignent successivement que la technique quantique est en train de passer du laboratoire au marché et rendent compte que la Chine se classe au premier rang mondial en matière d'application de l'information quantique.

La curiosité est la mère de la science

À franchement parler, la théorie des quanta a fait l'objet de controverses dès sa formulation. Des controverses qui ne se sont toujours pas apaisées dans les milieux académiques. Cependant, toute cette polémique n'amoindrit pas l'attrait scientifique que dégage le monde quantique aux yeux de l'humanité. Ces dernières années, convaincus du caractère unique du monde quantique, des scientifiques chinois ont travaillé de longues heures sur l'intrication des quanta, la communication quantique, le cryptage quantique et le calcul quantique, aussi bien sur les plans théorique que pratique. Ainsi ont-ils réalisé des percées reconnues de tous.

Membre de l'Académie des sciences de Chine et scientifique en chef du satellite quantique expérimental, Pan Jianwei a commencé à manifester un vif intérêt pour la problématique sur l'intrication des quanta alors qu'il était encore étudiant. Il raconte qu'à cette époque, il ne parvenait pas à expliquer ce phénomène d'intrication. Cette question l'obsédait tant qu'il n'arrivait même plus à suivre attentivement les autres cours. C'est à ce moment-là qu'il s'est mis à étudier la mécanique quantique. En 1999, sous la direction de son tuteur Anton Zeilinger, il a collaboré à la première expérience au monde de téléportation quantique de photons, dont les résultats ont été publiés dans la revue Nature. Cette publication a été reconnue comme une œuvre pionnière dans l'expérimentation de l'information quantique. Pan Jianwei n'avait que 29 ans.

En 2001, de retour dans sa patrie, M. Pan a été chargé d'établir un laboratoire de physique quantique et d'information quantique, ce qui a permis à la Chine, qui partait avec du retard dans la recherche expérimentale sur ces thématiques, de démarrer. Après quelques années, l'équipe de M. Pan a été la première au monde à réussir l'intrication de cinq photons et la téléportation quantique à terminaux ouverts. Il avoue : « Jadis, dans le domaine de la recherche scientifique, les scientifiques chinois, n'étaient très souvent que des disciples et imitateurs. Nous regardions si certains menaient déjà des études dans un domaine donné avant de définir l'orientation de la recherche et d'élaborer des projets. L'information quantique est une toute nouvelle discipline. Nous devons encore apprendre et nous accoutumer à être le chef de file et l'éclaireur dans cette course. »

Pan Jianwei est entouré d'une « équipe de rêve », comme elle a été surnommée, composée de physiciens chinois parmi les plus qualifiés. Chaque année, cette équipe fait de grandes découvertes. En 2004, en s'appuyant sur la technique d'intrication de cinq photons, elle a été la première à réaliser la téléportation quantique à terminaux ouverts et à récepteurs multiples. En 2006, grâce à la technique d'intrication de six photons, l'équipe a effectué pour la première fois la téléportation quantique de deux systèmes composites de particules. En 2015, elle a été la première encore à réussir une téléportation quantique à multiples degrés de liberté ; puis en 2016, l'intrication de dix photons.

Sur la même période, l'équipe a mis en œuvre en 2007, pour la première fois dans le monde, la distribution quantique de clés via la fibre optique pour garantir une communication sécurisée sur plus de 100 km de distance. En 2008, elle a achevé le premier réseau multifonctionnel de communication quantique. Puis, en 2010, un réseau quantique de gestion des affaires gouvernementales, inédit dans le monde, a été mis en service à titre d'essai à Wuhu (Anhui). En 2012, le premier réseau de communication quantique à grande échelle a été construit en Chine. En 2016, le premier satellite expérimental de communication quantique a été lancé, assurant une communication quantique sûre en réseau étendu le long de l'axe Beijing-Shanghai.

Connexion intégrée Espace-Terre

Grâce aux efforts déployés par les scientifiques chinois, l'industrialisation de la communication quantique a aussi connu un grand essor.

Dans de nombreuses villes chinoises comme Wuhu, Jinan, Hefei, Hangzhou et Wuhan, des réseaux métropolitains de communication quantique à grande échelle ont été aménagés. Certains organismes gouvernementaux et institutions financières ont pu tester en premier la communication quantique cryptée, qui couvre notamment la téléphonie vocale, le fac-similé et la transmission d'informations textuelles et de documents. Par ailleurs, la ligne Beijing-Shanghai déjà mise en service relie les réseaux locaux, formant ainsi un vaste réseau de communication quantique basée sur la fibre optique. Elle constitue une plate-forme pilote pour la démonstration, la recherche appliquée et l'application à proprement parler de la technique de communication quantique à grande échelle.

Certaines banques commerciales et entreprises de télécommunications de grande envergure participent donc aux projets entrepris par la filière de la communication quantique, mais bénéficient en contrepartie de la sécurité qu'apporte cette technique nouvelle. Par exemple, ICBC (Banque industrielle et commerciale de Chine) a non seulement utilisé cette technologie de communication quantique pour la transmission métropolitaine cryptée d'archives électroniques à Beijing, mais elle a aussi réalisé des opérations de traitement sur la banque de données de Shang-hai, en transmettant une sauvegarde de sécurité vers un autre emplacement dans la banque de données de Beijing via un canal de communication quantique.

L'énorme potentiel de la communication et de la technologie quantiques a aussi attiré quantité d'investissements, faisant de cette filière l'un des secteurs qui amassent le plus de capitaux. Notons que la maîtrise d'œuvre de l'axe de communication Beijing-Shanghai, la société Zhejiang Quantum Technologies Co., Ltd, a été cotée en Bourse en juin 2016, proposant le « premier titre de communication quantique » sur le marché des capitaux en Chine.

Le satellite quantique expérimental Micius, déjà entré officiellement en service, réalisera la distribution quantique de clés à haute vitesse entre le satellite et la Terre, la distribution de quanta intriqués satellite-sol et la téléportation des quanta espace-sol à une distance de l'ordre de mille kilomètres. Ces deux prochaines années, ce satellite en orbite restera en liaison avec cinq stations au sol pour mener des expérimentations en communication quantique de longue distance entre l'espace et la Terre.

Mozi, latinisé en Micius, était un célèbre philosophe, scientifique, stratège et précepteur chinois dans la Haute Antiquité. Il fut le premier à démontrer que la lumière se diffuse en ligne droite (en la faisant passer par une ouverture), avança le concept de particule et jeta les bases à la découverte du principe d'inertie de Newton. « Nous avons choisi ce nom pour rappeler à chacun que les Chinois sont aussi très doués en science. La Chine a donné naissance à d'éminents scientifiques dans le passé. Il y en a encore maintenant, et ils seront toujours plus nombreux », affirme Pan Jianwei.

À l'avenir, une « constellation » de satellites quantiques verra le jour et tissera, avec les lignes spécifiques au sol, un réseau de communication quantique Espace-Terre. Finalement, un réseau étendu de communication quantique sécurisée couvrira l'ensemble du territoire de la Chine, voire toute la surface de la planète, pour que cette technologie bénéficie à tous.

« Peut-être qu'à ce moment-là, chacun de nous possèdera une puce quantique cryptée individuelle chez lui ou dans son téléphone portable. Nous n'aurons plus à nous soucier des éventuelles attaques ou violations lors d'opérations utilisant des informations confidentielles, telles que les virements et la connexion à un compte en ligne », déclare M. Pan, pleinement confiant quant aux perspectives de cette technologie sophistiquée.  

La Chine au présent