Comment garantir que les données transmises sur Internet ne puissent être lues que par leur destinataire ? Actuellement, nos données sont chiffrées à l’aide de méthodes mathématiques reposant sur le principe que la factorisation de grands nombres est une opération complexe. Cependant, avec la puissance croissante des ordinateurs quantiques, ces codes mathématiques risquent de devenir vulnérables à l’avenir.

Tobias Vogl, professeur d'ingénierie des systèmes de communication quantique, travaille sur un procédé de chiffrement basé sur les principes de la physique. « La sécurité reposera sur le fait que l'information est encodée dans des particules de lumière individuelles, puis transmise. Les lois de la physique interdisent l'extraction ou la copie de cette information. Lorsqu'elle est interceptée, les particules de lumière modifient leurs caractéristiques. Comme nous pouvons mesurer ces changements d'état, toute tentative d'interception des données transmises sera immédiatement détectée, quelles que soient les avancées technologiques futures », explique Tobias Vogl.

Le principal défi de la cryptographie quantique réside dans la transmission de données sur de longues distances. Dans les communications classiques, l'information est encodée dans de nombreuses particules de lumière et transmise par fibres optiques. Or, l'information contenue dans une seule particule ne peut être copiée. Par conséquent, le signal lumineux ne peut être amplifié de manière répétée, contrairement aux transmissions par fibre optique actuelles. Ceci limite la distance de transmission à quelques centaines de kilomètres.

Pour transmettre des informations vers d'autres villes ou continents, on exploitera la structure de l'atmosphère. Au-dessus de 10 kilomètres d'altitude environ, l'atmosphère est si ténue que la lumière n'y est ni diffusée ni absorbée. Ceci permettra d'utiliser des satellites pour étendre les communications quantiques sur de plus longues distances.

Satellites pour les communications quantiques :
Dans le cadre de la mission QUICK³, Tobias Vogl et son équipe développent un système complet intégrant tous les composants nécessaires à la construction d'un satellite de communications quantiques. Dans un premier temps, l'équipe a testé chaque composant du satellite. La prochaine étape consistera à tester l'ensemble du système dans l'espace. Les chercheurs étudieront la résistance de cette technologie aux conditions spatiales et l'interaction entre les différents composants. Le lancement du satellite est prévu pour 2025. Toutefois, la mise en place d'un réseau mondial de communications quantiques nécessitera des centaines, voire des milliers, de satellites.

Réseau hybride pour le chiffrement

Ce concept n'implique pas nécessairement que toutes les informations soient transmises par cette méthode, très complexe et coûteuse. On peut envisager la mise en place d'un réseau hybride où les données seraient chiffrées physiquement ou mathématiquement. Antonia Wachter-Zeh, professeure de codage et de cryptographie, travaille au développement d'algorithmes si complexes que même les ordinateurs quantiques ne pourraient les résoudre. À l'avenir, le chiffrement de la plupart des informations par des algorithmes mathématiques restera suffisant. La cryptographie quantique ne sera alors envisagée que pour les documents nécessitant une protection particulière, comme ceux utilisés dans les communications interbancaires.

Publications :
Najme Ahmadi, Sven Schwertfeger, Philipp Werner, Lukas Wiese, Joseph Lester, Elisa Da Ros, Josefine Krause, Sebastian Ritter, Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk, Ria G. Krämer, Simone Atzeni, Mustafa Gündoğan, Subash Sachidananda, Daniel Pardo, Stefan Nolte, Alexander Lohrmann, Alexander Ling, Julian Bartholomäus, Giacomo Corrielli, Markus Krutzik, Tobias Vogl. "QUICK3 - Conception d'une source de lumière quantique par satellite pour la communication quantique et les tests de théorie physique étendus dans l'espace". Av. Technologie quantique. (2024). https://doi.org/10.1002/qute.202300343

Tobias Vogl a été nommé professeur d'ingénierie des systèmes de communication quantique à la Faculté d'informatique, d'information et de technologie en juillet 2023. Ses recherches portent sur les technologies quantiques optiques dans les solides cristallins. Il étudie notamment les défauts fluorescents du nitrure de bore, un matériau hexagonal bidimensionnel, qu'il combine à des nanostructures résonantes et à des circuits photoniques pour les utiliser comme composants de traitement de l'information quantique et dans les réseaux quantiques.
QUICK³ est un projet de recherche international réunissant des chercheurs de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna, de l'Université Humboldt de Berlin, de l'Université technique de Berlin, de l'Institut Ferdinand-Braun de technologie des hautes fréquences, de l'Institut de photonique et de nanotechnologies d'Italie et de l'Université nationale de Singapour.