Récemment, une équipe de recherche chinoise a réalisé de nouvelles avancées dans le domaine de la communication quantique. Les équipes de Pan Jianwei et Xu Feihu de l'Université des sciences et technologies de Chine, en collaboration avec l'Université Sun Yat-sen et l'Université Jiao Tong de Shanghai, ont mis en œuvre un réseau de communication quantique longue distance basé sur un protocole de distribution quantique de clés à deux champs, utilisant des puces photoniques, et ont obtenu un taux de codage sécurisé dépassant la capacité de clé sans répéteur sur une distance de fibre optique de 540 km.
La distribution quantique de clés permet à des utilisateurs distants de partager des clés théoriquement sécurisées, et combinée au chiffrement à masque jetable, elle peut en principe réaliser une communication inconditionnellement sécurisée. Le protocole de distribution quantique de clés à deux champs peut surmonter la limitation de la diminution linéaire du taux de codage avec la distance des protocoles traditionnels, constituant une voie technique importante pour les réseaux de communication quantique longue distance par fibre optique. Cependant, ce protocole exige une cohérence élevée de la source lumineuse, une stabilité de la liaison et une précision de contrôle du système, ce qui rend son déploiement pratique difficile.
Figure 1 Puce photonique intégrée hybride en nitrure de silicium et niobate de lithium sur couche mince
La percée principale de cette recherche réside dans l'émetteur sur puce. L'équipe de recherche a développé une puce photonique intégrée hybride en nitrure de silicium et niobate de lithium sur couche mince, combinant une puce laser à auto-injection verrouillée basée sur un résonateur en anneau micro-anneau en nitrure de silicium à facteur de qualité élevé avec une puce photonique intégrée en niobate de lithium sur couche mince intégrant plusieurs modulateurs d'intensité, modulateurs de phase et atténuateurs optiques variables. Le laser sur puce atteint une largeur de raie étroite de 100 Hz, et le modulateur en niobate de lithium sur couche mince offre une bande passante de modulation de 25 GHz, une tension demi-onde de 2,6 V et un taux d'extinction de 34 dB.
En termes d'architecture réseau, l'équipe de recherche a proposé une structure de réseau quantique en feuille-épine dorsale. Cette structure se compose d'une couche utilisateur, d'une couche feuille et d'une couche épine dorsale. Les utilisateurs accèdent au réseau via un émetteur sur puce, puis le routage et la mesure des signaux quantiques sont effectués par des commutateurs optiques et des unités de mesure. Par rapport aux tests sur liaison unique, cette structure est plus proche des besoins réels des réseaux de communication quantique, améliorant la capacité d'accès des utilisateurs, l'extensibilité du réseau et la flexibilité des connexions.
Figure 2 Schéma du système de réseau de distribution quantique de clés à quatre utilisateurs avec puces intégrées
Dans l'expérience, l'équipe de recherche a construit un réseau de distribution quantique de clés à deux champs avec puces intégrées pour quatre utilisateurs, et a démontré des connexions de différentes configurations utilisateur sur des distances de fibre optique de 40 km et 403 km respectivement. Dans une expérience supplémentaire, le système a atteint un taux de codage sécurisé de 2,93 bps sur une liaison en fibre optique à très faible perte de 540 km avec une perte totale de 91,5 dB, dépassant de 9 fois la capacité de clé sans répéteur.
Ce résultat a également fait l'objet de simulations de performance réseau. Basé sur les paramètres expérimentaux, le réseau quantique en feuille-épine dorsale peut prendre en charge des appels vidéo de haute qualité pour plus de 50 utilisateurs sur une distance de fibre optique de 50 km. Cela montre que le réseau de communication quantique sur puce non seulement valide la capacité de transmission longue distance, mais démontre également le potentiel d'extension future vers des réseaux quantiques métropolitains multi-utilisateurs.
Figure 3 Résultats du taux de codage expérimental du réseau de distribution quantique de clés
L'importance de ce résultat réside dans la combinaison de la technologie des puces photoniques intégrées avec l'architecture des réseaux de communication quantique longue distance. Les systèmes de communication quantique traditionnels souffrent souvent de problèmes tels qu'un volume d'équipement important, un coût élevé et une complexité système élevée. La solution sur puce contribue à miniaturiser, stabiliser et réduire le coût de l'émetteur, fournissant une base technique pour le déploiement futur de réseaux de communication quantique à grande échelle.
Cependant, ce résultat en est encore au stade de la validation scientifique. Pour entrer dans des applications à plus grande échelle à l'avenir, il faudra encore résoudre des problèmes tels que la cohérence des puces, l'ingénierie système, le fonctionnement stable à long terme, la gestion du réseau, les interfaces standard et la chaîne industrielle. En particulier dans les réseaux métropolitains et interurbains réels, la transmission des signaux quantiques sera confrontée à des conditions complexes telles que les fluctuations environnementales, les pertes de liaison, la planification des nœuds et la maintenance des équipements.
Les points d'observation ultérieurs se concentreront sur les progrès de l'ingénierie de l'émetteur sur puce, les performances opérationnelles du réseau quantique en feuille-épine dorsale après l'augmentation du nombre d'utilisateurs, la compatibilité avec les réseaux de communication par fibre optique existants, et si cette technologie entrera dans un réseau expérimental de communication quantique métropolitain. Si la validation ultérieure se déroule sans heurts, le réseau de communication quantique longue distance sur puce pourrait devenir une direction technologique importante pour les infrastructures de communication sécurisées.