Contacts : Jean-Marc Conan (jean-marc.conan @ onera.fr)
L’ONERA mène des recherches depuis plus de 40 ans sur la propagation des ondes optiques à travers la turbulence atmosphérique et sur la correction temps réelle des perturbations par optique adaptative. Ces travaux servent et se nourrissent de nombreuses applications : défense, astronomie au sol, liens optiques pour le transfert de fréquence à haute stabilité, pour les télécoms à très haut débit et pour les communications quantiques.
Ces travaux se concentrent actuellement sur les concepts de cryptographie quantique, en particulier la distribution quantique de clef (Quantum Key Distribution [QKD]), qui s’appuient sur des liaisons optiques sol-satellite. La QKD exploite les propriétés quantiques de la lumière pour permettre à deux parties (souvent nommées Alice et Bob) de partager une clé secrète avec une sécurité inconditionnelle.
Distribution quantique de clefs « Prepare & Measure »
où la clef est partagée entre le satellite et une station sol
(l’optique adaptative de la station sol est représentée schématiquement)
[Crédit Valentina Marulanda Acosta (2023)]
En effet, un défi majeur pour réaliser un déploiement à grande échelle des communications quantiques est la capacité d’établir des liaisons longue distance. Cependant, contrairement au signal classique, le signal quantique ne peut pas être amplifié, de sorte que la transmission directe d’information quantique à travers la fibre optique sur des distances arbitrairement longues n'est pas possible. La technologie des répéteurs quantiques, qui nécessite des mémoires quantiques de grande efficacité, est aujourd'hui en développement. En parallèle, la communication quantique utilisant des liens satellitaires est considérée comme une solution très prometteuse pour permettre des communications transcontinentales.
Cette activité s’effectue dans le cadre d’une collaboration avec Eleni Diamanti (LIP6) et Caroline Lim (LNE, SYRTE). La collaboration a été initiée en 2019, et une thèse co-encadrée (Valentina Marulanda Acosta) a été soutenue en décembre 2023. Ces travaux sont aussi menés en collaboration avec Daniele Dequal (ESA).
Les travaux effectués démontrent, pour les liens QKD descendants LEO-sol, que l’optique adaptative apporte un gain en taux d’échange de clef de plusieurs ordres de grandeur. L’analyse s’appuie sur des simulations numériques incluant une modélisation fine de toute la chaine : le canal turbulent et l’optique adaptative ainsi que l’évaluation de performance QKD pour des protocoles à variables continues (CV-QKD) et discrètes (DV-QKD) [MarulandaAcosta-2024].
Ces travaux seront prochainement étendus à des réseaux de communication quantique à nœuds non fiables. Dans ce contexte, on utilise le satellite comme un simple relais (nommé Charlie) entre deux stations sol, sans imposer de contrainte de fiabilité sur le segment spatial. Différentes stratégies sont envisagées : émission par le satellite d’une paire de photons intriqués vers deux stations sol ; utilisation de deux liens montants sol vers satellite où s’effectue une mesure de Bell via un processus d’interférence à un ou deux photons (approche respectivement Twin Field et Measurement Device Independent). Nos développements récents portant sur une stratégie innovante permettant d’améliorer la correction des liens montants [Lognoné-2023] devrait s’avérer un atout décisif pour ces derniers protocoles. Plus généralement, nos recherches sur le canal sol-espace pour en améliorer la performance [Robles-2023a, Vène-2023] ou en prédire la disponibilité [Klotz-2023] sont en forte synergie avec nos travaux en communications quantiques.
Approche basée sur l’émission, par le satellite, d’une paire de photons intriqués
en direction de deux stations sol. [Crédit Valentina Marulanda Acosta (2023)]
Les perspectives sont une validation expérimentale en laboratoire autour de notre émulateur du canal turbulent sol-espace PICOLO [Robles-2023b], associé à une optique adaptative, et à terme entre un satellite et nos stations sol FEELINGS et PROVIDENCE.
Ces travaux s’inscrivent dans la perspective d’une mise en œuvre de réseaux d'information quantique à l'échelle mondiale. De tels réseaux ouvrent la voie à une large gamme d’applications, de la distribution quantique de clés (QKD) et plusieurs autres primitives de cryptographie quantique, jusqu’au calcul et au sensing distribués en interconnectant à distance des processeurs et des capteurs quantiques, respectivement. La vision globale est qu’au fur et à mesure que des technologies de plus en plus avancées deviennent disponibles, elles devraient être intégrées dans ces réseaux, permettant ainsi la réalisation de fonctionnalités de plus en plus complexes.
Références
[MarulandaAcosta-2024] V. Marulanda Acosta et al. “Analysis of satellite-to-ground quantum key distribution with adaptive optics,” New J. Phys. (2024). https://doi.org/10.1088/1367-2630/ad231c
[Klotz-2024] E. Klotz et al., “Assessment of adaptive optics-corrected optical links statistics from integrated turbulence parameters through a Gaussian process metamodel,” International Journal of Satellite Communications and Networking (2024). https://dx.doi.org/10.1002/sat.1497
[Lognoné-2023] P. Lognoné et al., “Phase estimation at the point-ahead angle for AO pre-compensated ground to GEO satellite telecoms”, Optics Express (2023). https://doi.org/10.1364/OE.476328
[Robles-2023a] P. Robles et al., “Predictive adaptive optics for satellite tracking applications: optical communications and satellite observation”, SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, (2022). https://doi.org/10.1117/12.2630217
[Robles-2023b] Pablo Robles et al. "Emulating and characterizing strong turbulence conditions for space-to-ground optical links: the PICOLO bench," JATIS (2023). https://doi.org/10.1117/1.JATIS.9.4.049002
[Vène-2023] T. Vène et al., “Revisiting Shack-Hartmann wavefront sensor design for space-ground communications in strong scintillation conditions”, In AO4ELT 7th Edition (2023). https://doi.org/10.13009/AO4ELT7-2023-107