Publiées dans Optics Express et Communication Physics, ces avancées apportent des solutions complémentaires au problème fondamental des turbulences atmosphériques qui, lorsqu’elles traversent l’air, perturbent et affaiblissent les états quantiques photoniques. TAROQQO facilite la prévision des turbulences en temps réel pour optimiser les conditions expérimentales, tandis que le système d’optique adaptative rapide corrige les erreurs causées par les turbulences, ce qui permet d’assurer la fiabilité des communications quantiques de grande dimension, même dans des conditions difficiles.
TAROQQO et la prévision des turbulences propulsée par l’IA : L’une des grandes difficultés de la communication quantique en espace libre – en particulier, pour les systèmes satellites et intra-urbains – est la fluctuation constante de l’atmosphère. Celle-ci peut perturber de manière imprévisible les états quantiques de la lumière requise pour les communications sécurisées. Pour remédier à cela, Tareq Jaouni et Lukas Scarfe, doctorants, et Francesco Di Colandrea, Ph.D., ont conçu TAROQQO, un outil de prévision des turbulences qui s’appuie sur des réseaux de neurones récurrents.
À l’aide de données météorologiques en temps réel – dont l’humidité, le rayonnement solaire, la température, la pression et l’indice de mesure de la turbulence Cn² –, TAROQQO prédit avec exactitude la force de la turbulence jusqu’à 12 heures à l’avance, avec une résolution temporelle à la minute près. Les chercheuses et chercheurs peuvent donc anticiper les conditions atmosphériques et mener leurs expériences quantiques à des moments optimaux pour ainsi éviter les pertes inutiles et maximiser l’efficacité des liens quantiques en espace libre.
Au-delà des simples prévisions, TAROQQO permet aussi aux scientifiques de simuler les effets des turbulences sur diverses expériences quantiques pour optimiser les stratégies de déploiement de réseaux quantiques. Comme le logiciel TAROQQO complet a été rendu public sur le site GitHub – TAROQQO, la communauté scientifique mondiale peut d’ores et déjà intégrer la prévision des turbulences à ses propres recherches et réseaux de communication quantiques.
« Puisque TAROQQO permet d’améliorer l’efficacité, de réduire les coûts et d’optimiser l’allocation des ressources, il sera un précieux outil pour la communauté de la physique expérimentale », explique M. Di Colandrea.
Si TAROQQO sert à prévoir les turbulences, une deuxième percée de l’équipe de l’Université d’Ottawa permet de contrer directement leurs effets sur les états quantiques photoniques en temps réel.
Lutter contre les turbulences avec rapidité et précision : Même avec la prévision des turbulences, certains éléments des communications quantiques – p. ex. les liens en espace libre et les canaux quantiques satellites – requièrent une correction immédiate des distorsions optiques. Pour y parvenir, l’équipe de recherche a déployé un système d’optique adaptative rapide et précis pour rétablir l’état quantique des photons en temps réel.
La distribution quantique de clés est une technique de chiffrement fondée sur les principes de la mécanique quantique qui permet à deux parties de générer une clé de chiffrement aléatoire en toute sécurité tout en détectant une éventuelle écoute clandestine. Lorsqu’une entité non autorisée tente d’intercepter une transmission, la mesure perturbe les états quantiques, ce qui crée du bruit et révèle immédiatement la présence d’un intrus. Durant la distribution quantique de clés à haute dimension (chiffrement d’éléments autres que 0 et 1) dans l’espace libre, les turbulences atmosphériques créent du bruit qui réduit l’efficacité et, dans des cas extrêmes, affecte la sécurité des canaux, puisque le bruit est associé à l’écoute clandestine.
L’équipe de recherche de l’Université d’Ottawa a montré que l’optique adaptative peut corriger ces perturbations en temps réel pour rétablir la sécurité dans le canal et permettre les transferts d’information quantique à haute dimension. L’optique adaptative permet d’utiliser un miroir déformable sur mesure qui peut changer de forme jusqu’à 3 000 fois par seconde pour pallier les effets rapides des turbulences avant la mesure des signaux quantiques.
« Dans nos expériences contrôlées en laboratoire, nous avons simulé un canal quantique en espace libre turbulent pour évaluer l’efficacité de notre système d’optique adaptative. Les résultats étaient frappants, affirme le doctorant Lukas Scarfe. Sans l’optique adaptative, les turbulences causaient des erreurs allant au-delà du seuil de sécurité, ce qui rendait la distribution quantique de clés impossible. Avec l’optique adaptative, nous avons rétabli le canal, effectué la distribution quantique de clés à haute dimension, et codé jusqu’à trois bits par photon pour ainsi faire augmenter considérablement le taux de génération de clés. »
Ces résultats montrent que l’optique adaptative est une solution viable pour les expériences quantiques pratiques et les réseaux quantiques, puisqu’elle permet de sécuriser les communications même dans des conditions atmosphériques extrêmes.
Les efforts précurseurs de l’Université d’Ottawa dans les domaines de la prévision des turbulences (TAROQQOO) et la correction des turbulences en temps réel (optique adaptative pour la distribution quantique de clés) engendrent des solutions complémentaires qui, lorsque combinées, ouvrent la voie à des communications quantiques en espace libre robustes et évolutives. En effet, TAROQQO sert à planifier les séances de communication quantique de manière préventive pour réduire au minimum les perturbations, et l’optique adaptative, à corriger les perturbations causées par les turbulences en temps réels pour assurer la fiabilité de la distribution quantique de clés.
Ce sont des avancées décisives pour la prochaine génération de communications quantiques sol-satellite, sous-marines et en espace libre et pour le déploiement de réseaux quantiques internationaux.
Pour en savoir plus:
L’étude « Predicting Atmospheric Turbulence for Secure Quantum Communications in Free Space » de Tareq Jaouni, Lukas Scarfe, Frédéric Bouchard, Mario Krenn, Khabat Heshami, Francesco Di Colandrea et Ebrahim Karimi a été publiée dans Optics Express.
L’étude « Fast Adaptive Optics for High-Dimensional Quantum Communications in Turbulent Channels » de Lukas Scarfe, Felix Hufnagel, Manuel F. Ferrer-Garcia, Alessio D’Errico, Khabat Heshami et Ebrahim Karimi a été publiée dans Communications Physics.