FR3125659A1 - Système de communication quantique par photons intriqués - Google Patents

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Abstract

Système de communication quantique par photons intriqués Système de communication quantique (1) comportant : Un émetteur (2) de photons intriqués comportant une source configurée pour générer au moins une paire de photons intriqués comportant un premier photon (P1) émis sur un premier chemin de propagation (D1), et simultanément un deuxième photon (P2) émis sur un deuxième chemin de propagation (D2) différent du premier chemin de propagation ;Un premier récepteur (3) disposé sur le premier chemin de propagation (D1) comportant un absorbeur complexe (31) configuré pour absorber le photon dans un état de polarisation choisi parmi les états d’au moins deux paires différentes d’états de polarisation complémentaires; Un deuxième récepteur (4) disposé sur le deuxième chemin de propagation (D2) comportant un amplificateur optique (40) permettant de démultiplier le deuxième photon (P2) en conservant sa polarisation et un instrument de mesure (45) permettant de mesurer la polarisation moyenne des photons démultipliés (P20). Figure pour l’abrégé : Fig.1A

Description

Système de communication quantique par photons intriqués
La présente invention concerne les méthodes de communication quantique, et plus particulièrement celles utilisant une paire de photons intriqués.
La transmission d’informations se fait actuellement essentiellement grâce à des ondes électromagnétiques, que celles-ci soient de petites longueurs d’ondes, comme la lumière, ou de grandes longueurs d’ondes comme les ondes VHF.
Les ondes transmises peuvent être guidées par des câbles en métal, par des fibres optiques, ou encore transmises à travers l’espace.
Ces méthodes utilisent la propagation des ondes pour transmettre de l’énergie et donc des particules physiques qui, recueillies par un récepteur, permettent de déduire des informations, celles-ci étant codées, par exemple par leur longueur d’onde ou par modulation de la durée des trains d’ondes.
Récemment, des méthodes de communication dite « quantiques » se sont développées.
On peut par exemple utiliser l’état physique d’un photon, tel que sa polarisation, pour transmettre de l’information, par exemple par une fibre optique. La valeur d’un bit est attribuée arbitrairement à une direction, ou un mode de polarisation du photon. Des suites de photons polarisés peuvent alors être envoyés pour transmettre des suites binaires formant un message.
Dans le cadre de la cryptographie quantique, il est notamment connu d’utiliser une paire de photons intriqués pour transmettre une information de manière sécurisée. Des photons intriqués sont des photons dont l’état quantique, par exemple leur polarisation, dépend l’un de l’autre quelle que soit la distance les séparant.
Ce phénomène d’intrication quantique a été observé et démontré expérimentalement à plusieurs reprises, comme par exemple dans l’article de Shasi Prabkhar et al. « Two-photon quantum interference and entanglement at 2.1 μm” (Sci Adv, 2020)
Le brevet KR101003886B1 décrit un système de transmission d’information cryptée dans lequel des photons intriqués sont émis simultanément et chacun envoyés vers deux cibles positionnées à des endroits différents et souhaitant communiquer entre eux. Les photons reçus par les deux cibles forment des suites aléatoires intriquées de bits conjugués, ces suites étant utilisées comme clés de chiffrage cryptographiques. Ce système permet la réception presque instantanée en deux endroits différents d’une même suite de nombres aléatoires mais ne permet la transmission d’information.
L’article de Wang « Superluminal telecommunication: an observable contradiction between quantum entanglement and relativistic causality » divulgue un système de communication quantique permettant une transmission d’informations super luminale grâce à une paire de photons intriqués envoyés vers deux récepteurs souhaitant communiquer entre eux. Les photons sont intriqués, et une polarisation linéaire est mesurée pour le photon arrivant au premier récepteur selon différentes directions à 45° les unes des autres. Au deuxième récepteur, le deuxième photon est démultiplié et la polarisation moyenne du flux démultiplié est mesurée afin de déterminer selon quelle direction le premier photon a été mesuré.
La polarisation d’un photon n’est cependant pas nécessairement binaire comme l’est celle d’un spin ou même quaternaire. Elle peut notamment être représentée sur la sphère de Jones qui caractérise l’orientation et l’ellipse de la polarisation : une polarisation peut en effet être linéaire, le champ électrique étant toujours parallèle à un axe perpendiculaire à la direction de propagation du photon, ou circulaire, le champ électrique tournant autour de cet axe, ou entre les deux : le champ électrique parcourant une ellipse atour de l’axe de propagation. Dans le cas où la polarisation n’est pas circulaire, l’orientation mesure la direction de cet axe, et l’excentricité mesure l’aplatissement de l’ellipse.
Les dispositifs précités ne permettent pas d’exploiter toutes les configurations de la polarisation et sont de fait limités dans le nombre et le type de d’information qu’il est possible de transmettre.
Il existe un besoin pour perfectionner encore les systèmes et méthodes de communication quantique, notamment ceux permettant de transmettre rapidement des informations entre deux points, notamment des valeurs continues, de manière quasi-instantanée et sans délai dû à la distance de transmission.
L’invention vise à répondre à ce besoin, et elle y parvient, selon un premier de ses aspects, grâce à un système de communication quantique comportant :
  • Un émetteur de photons intriqués comportant une source configurée pour générer au moins une paire de photons intriqués comportant un premier photon émis sur un premier chemin de propagation, et simultanément un deuxième photon émis sur un deuxième chemin de propagation différent du premier chemin de propagation ;
  • Un premier récepteur disposé sur le premier chemin de propagation comportant un absorbeur complexe configuré pour absorber le photon dans un état de polarisation choisi parmi les états d’au moins deux paires différentes d’états de polarisation complémentaires, à l’exception d’exactement deux paires de polarisations linéaires perpendiculaires dont les polarisations de l’une des paires sont à 45° des directions de polarisation de l’autre paire ;
  • Un deuxième récepteur disposé sur le deuxième chemin de propagation de façon à être atteint par le deuxième photon après que le premier photon ait atteint le premier récepteur, ledit deuxième récepteur comportant :
  • un amplificateur optique permettant de démultiplier le deuxième photon en conservant sa polarisation et,
  • disposé en aval de l’amplificateur, un instrument de mesure permettant de mesurer la polarisation moyenne des photons démultipliés.
Le système selon l’invention est agencé pour retransmettre de façon quasi instantanée une série de valeurs, continues ou discrètes, entre deux lieux.
Les premier et deuxièmes photons étant intriqués, l’absorption du premier photon au premier récepteur détermine instantanément la polarisation du deuxième photon, notamment avant que celui-ci n’atteigne le deuxième récepteur.
La mesure de la polarisation moyenne des photons démultipliés au deuxième récepteur permet alors de détecter dans quel état de polarisation le premier photon a été absorbé et d’en déduire l’information transmise.
Ce système permet par conséquent de transmettre des informations sans temps de latence, indépendamment de la distance entre les deux endroits souhaitant communiquer, et en utilisant uniquement des photons, ce qui ne nécessite que peu d’énergie.
Le système est par exemple utilisé pour des réseaux de communication et informatique sur Terre, dans le ciel et/ou dans l’espace, notamment pour communiquer avec des systèmes éloignés de la Terre, tels que des satellites ou des vaisseaux spatiaux.
Polarisations de Jones
Par « états de polarisation complémentaires », aussi désigné dans la suite par « états de polarisation d’absorption complémentaires », on entend deux états de polarisation d’une lumière pour lesquels la modification de la polarisation de ladite lumière par des éléments d’optique linéaire, notamment des miroirs, des lames et/ou prismes biréfringents dont des lames quart d’onde, permet pour l’une, son absorption par un premier filtre polarisant, et pour l’autre son absorption par un second filtre polarisant selon une polarisation orthogonale à celle selon laquelle le premier filtre polarisant peut absorber.
Dans la suite, on utilise indifféremment les termes « état de polarisation » et « polarisation ».
Le premier récepteur est avantageusement agencé pour que son utilisateur puisse choisir l’état de polarisation dans lequel le photon est absorbé parmi l’une quelconque des polarisations possibles telles que définies par le formalisme de Jones, notamment parmi un ensemble de polarisations elliptiques (aussi dites « ellipsoïdales ») caractérisées par l’orientation et l’ellipse de la polarisation.
On peut ainsi faire varier la polarisation selon laquelle sont absorbés les photons par le premier récepteur afin de transmettre une série d’informations au second récepteur.
En choisissant par exemple 10 directions de polarisation différentes, par exemple espacées de 9° les unes des autres, et 21 déphasages différents, espacés de 9° aussi l’un de l’autre, on peut définir 210 états de polarisation différents et ainsi transmettre 210 signaux différents.
On peut par exemple transmettre les lettres de l’alphabet en majuscules, en minuscules, les chiffres et un certain nombre d’autres caractères spéciaux, pour chacune des paires de photons intriqués atteignant les récepteurs.
Absorbeur complexe
On qualifie d’« absorbeur complexe » un ensemble atteint par le premier photon permettant de déterminer une paire de polarisations complémentaires parmi un certain nombre de paires de polarisations complémentaires, et d’absorber le premier photon dans l’un des deux états de polarisation de la paire prédéterminée.
De préférence, l’absorbeur complexe du premier récepteur est configuré pour absorber le photon dans un état d’une paire prédéterminée de polarisations complémentaires, choisi parmi les états d’au moins trois paires différentes de polarisations complémentaires, et de préférence parmi un nombre de paires différentes de polarisations complémentaires choisi selon le nombre de valeurs différentes à transmettre, comme décrit plus haut.
De préférence, l’absorbeur complexe comporte:
  • au moins un instrument d’absorption permettant d’absorber le photon dans l’un ou l’autre de deux états d’une paire de polarisations complémentaires, par exemple deux polarisations linéaires orthogonales.
  • un modificateur de polarisation disposé en amont dudit instrument d’absorption et configuré pour transformer la polarisation du premier photon vers la polarisation choisie selon laquelle ledit instrument d’absorption absorbe les photons.
Par « polarisation choisie », on entend une paire de polarisations complémentaires prédéterminée selon l’information à transmettre.
Modificateur de polarisation
La polarisation linéaire d’un photon peut être transformée en polarisation ellipsoïdale telle que représentée par le formalisme de Jones en modifiant dans un premier temps l’orientation de la polarisation d’un photon de polarisation linéaire et de direction connue, répartissant ainsi de façon prédéterminée le champ électrique selon un axe x et un axe y perpendiculaire à l’axe x, puis, dans un deuxième temps en modifiant la phase du champ électrique selon l’une de deux directions perpendiculaires, par exemple l’axe y.
Le modificateur de polarisation comporte de préférence un modificateur de direction de polarisation disposé en amont d’un modificateur de phase de polarisation.
Par exemple, si θ est l’angle de rotation de la polarisation linéaire et le déphasage selon l’axe y, étant la pulsation de l’onde, les composantes et de champ électrique après la rotation sont :
Et après le déphasage:
Modificateur de la direction de polarisation
Une direction de polarisation linéaire peut être modifiée de différentes façons, par exemple par une lame demi-onde ou alternativement par une double-lame quart d’onde.
Le modificateur de direction de polarisation peut comporter deux lames quart d’onde disposées l’une après l’autre sur le chemin de propagation du premier photon, l’orientation de l’une au moins des deux lames étant variable.
La première lame quart-d’onde modifie par exemple la polarisation linéaire en polarisation circulaire et la seconde lame quart-d’onde transforme par exemple la polarisation circulaire en polarisation linéaire dont la direction est orientée selon un axe dépendant de la direction de l’axe de la seconde lame quart d’onde.
Une rotation de l’axe de cette seconde lame permet donc de modifier la direction de la polarisation linéaire du photon. Si la lame est une lame demi-onde, la rotation de cette dite lame demi-onde permet de modifier la direction de la polarisation linéaire du photon.
Alternativement, l’orientation de la première lame quart d’onde peut être modifiée, celle de la seconde étant fixe, ou bien les orientations des deux lames quart d’onde peuvent être modifiées.
La rotation d’une lame quart d’onde ou d’une lame demi-onde est obtenue par exemple par asservissement mécanique à un capteur ou à un dispositif commandé électriquement permettant sa rotation, par exemple en frottant sur un axe mis en mouvement par un matériau piézo-électrique ou par un dispositif de moteur électrique, par exemple à courant continu.
Alternativement, plusieurs dispositifs de rotation de la polarisation linéaire peuvent être utilisés, chacun permettant des angles de rotation différents, par exemples fixes, mais pouvant tout aussi être modifiables, des sélecteurs permettant d’envoyer les photons vers l’un de ces dispositifs de rotation et, en sortie dudit dispositif de rotation, de conduire ledit photon vers un guide d’onde commun ou un axe de transmission commun.
Ces sélecteurs peuvent comporter un miroir dont la direction de l’axe est commandé par exemple par un dispositif électrique, ou , alternativement constitués d’un prisme ou d’une lame en matériau dont l’indice de réfraction dépend d’un champ électrique : une cellule de Pockels, ou un matériau transparent d’indice de réfraction non linéaire, un autre flux lumineux, par exemple transversal et de préférence de longueur d’onde différente de celle du photon et ne pouvant générer de photons de la même longueur d’onde que celle du photon faisant varier l’indice de réfraction dudit matériau non linéaire et commandant ainsi l’emplacement et éventuellement la direction de sortie du photon dudit matériau. L’inertie de rotation d’une lame quart d’onde pouvant être importante, les photons peuvent être envoyés successivement vers différentes lames quart d’onde dont la direction aura été ajustée préalablement par exemple par l’un des dispositifs de rotation mécanique décrits précédemment laissant ainsi le temps de modifier la direction de chacune de ces lames quart d’onde entre deux passages de photons.
En variante, on peut utiliser des matériaux chiraux ou rotatifs pour modifier une direction de polarisation linéaire.
Le modificateur de direction de polarisation peut comporter une lame ou un prisme en matériau chiral ou rotatif affectant la rotation de la polarisation d’un angle dépendant de l’endroit par lequel l’onde pénètre dans ledit matériau chiral ou rotatif. Le matériau peut notamment être disposé entre deux cellules de Pockels.
Le premier photon peut être projeté sur une première lame ou un premier prisme formant une cellule de Pockels dont l’indice de réfraction est contrôlé par un champ électrique pour en ressortir en des endroits différents, notamment sur une lame ou un prisme intermédiaire en matériau au moins en partie chiral ou rotatif faisant tourner l’axe de polarisation électrique du photon d’un angle dépendant de l’endroit par lequel l’onde pénètre la dite lame ou prisme intermédiaire, avant de pénétrer une seconde lame ou un second prisme formant un une cellule de Pockels dont l’indice de réfraction est ajusté symétriquement par rapport à celui de la première lame ou du premier prisme pour faire ressortir le photon selon la même direction que si l’indice de réfraction de la première lame ou prisme et de la seconde lame ou prisme avaient tous les deux une valeur fixée. Une troisième lame dont l’indice de réfraction peut être ajusté, par exemple électriquement est avantageusement placé après la deuxième lame ou prisme pour permettre de rendre l’endroit de la sortie du photon de l’ensemble de lames et prismes indépendant de l’indice de réfraction choisi pour la première lame ou prisme.
La lame ou prisme en matériau intermédiaire est par exemple composée de deux prismes symétriques accolés de même indice de réfraction mais ayant des pouvoirs chiraux ou rotatifs différents, le premier des deux prismes ayant par exemple un pouvoir chiral ou rotatif et le second n’en ayant pas ou bien faisant tourner le champ électrique dans le sens contraire de la rotation imposée par le premier prisme.
L’un des deux prismes intermédiaires peut comporter un matériau chiral, par exemple des nanoparticules de séléniure de cadmium (CdsE) de diamètre environ 1.4 à 2.4 nm tel que décrit dans l’article de Visheratina, Anastasia, and Nicholas A. Kotov. "Inorganic nanostructures with strong chiroptical activity." (CCS Chemistry2.3 (2020): 583-604.). ; l’autre prisme intermédiaire n’étant de préférence pas chiral ou alternativement étant de chiralité inverse à celle dudit premier prisme intermédiaire. La rotation du champ électrique des ondes traversant un matériau chiral étant proportionnelle à l’épaisseur traversant le dit matériau chiral, la rotation du champ électrique traversant la lame intermédiaire dépend de emplacement par lequel elle est pénétrée par la lumière qui la traverse.
L’un des deux prismes intermédiaires peut encore comporter un matériau « rotatif », tel qu’une superposition d’un nombre paire de lames quart d’ondes empilées les unes sur les autres dans des directions incrémentées à chaque couche d’un angle prédéterminé, de telle sorte qu’une onde polarisée linéairement selon l’axe de la première tranche du matériau ressorte de l’empilement avec une polarisation tournée d’un angle proportionnel à l’épaisseur de l’empilement.
Modificateur de phase de polarisation
Un second dispositif, dit « modificateur de phase de polarisation » peut être disposé en aval du modificateur de direction de polarisation, afin de déphaser d’un angle prédéterminé la composante du champ électrique du photon selon l’un de deux axes fixes.
De préférence, le modificateur de phase de polarisation comporte une première lame ou prisme biréfringent agencé pour partager le faisceau en deux ondes électromagnétiques de polarisation linéaire, l’une selon un premier axe, l’autre selon un second axe, et une lame à retard d’indice de réfraction variable disposée sur le second axe.
Par « faisceau », il faut comprendre l’onde lumineuse qu’est le premier photon au sens de la dualité de la lumière.
La lame à retard fait acquérir à l’onde orientée selon le second axe un déphasage prédéterminé par rapport à l’onde orientée selon le premier axe, avant de lui être de nouveau mélangée par un nouvelle lame ou prisme biréfringent permettant de réunir selon un même axe les deux ondes dont les champs de polarisations sont perpendiculaires.
La lame à retard peut comporter une cellule de Pockels ou un matériau non linéaire. L’indice de réfraction variable permet de choisir le déphasage imposée à l’onde orientée selon le second axe.
Dans un premier exemple de mise en œuvre, comme décrit plus haut, le modificateur de phase fait tourner une polarisation linéaire d’angles espacés de 9° variant entre -45° et +36° et fait varier la phase d’angles espacés de 9° entre -90° et +90° définissant ainsi 210 états de polarisations possibles. Comme décrit plus bas, 209 des 210 polarisations possibles sont par exemple utilisées pour coder des données et la 210eme polarisation linéaire est utilisée pour absorber tout photon intriqué reçu dans un temps prédéterminé après la réception d’un photon ayant servi au codage d’une donnée.
Dans un deuxième exemple de mise en œuvre, le modificateur de phase fait tourner l’axe de polarisation de 45° avant que le photon soit absorbé pour transmettre par exemple un 0, et transforme la polarisation du photon en polarisation circulaire pour transmettre par exemple un 1.
Réflexion du premier photon
L’invention a encore pour objet, un système de communication quantique comportant :
  • Un émetteur de photons intriqués comportant une source configurée pour générer au moins une paire de photons intriqués comportant un premier photon émis sur un premier chemin de propagation, et simultanément un deuxième photon émis sur un deuxième chemin de propagation différent du premier chemin de propagation;
  • Un premier récepteur disposé sur le premier chemin de propagation, comportant :
- au moins un premier instrument d’absorption, agencé pour absorber le premier photon dans l’un de deux états d’une paire de polarisations complémentaires, la polarisation étant indéterminée dans la base observable selon laquelle le premier instrument absorbe les photons,
- un sélecteur optique disposé en amont dudit au moins un premier instrument et configuré pour soit laisser passer le premier photon vers ledit au moins un premier instrument de mesure, soit l’empêcher d’être mesuré ;
  • Un deuxième récepteur disposé sur le deuxième chemin de propagation de façon à être atteint par le deuxième photon après que le premier photon ait atteint le sélecteur optique et/ou après qu’il puisse avoir atteint l’instrument de mesure du premier récepteur, ledit deuxième récepteur comportant un amplificateur optique permettant de démultiplier le deuxième photon en conservant sa polarisation et, disposé en aval de l’amplificateur, un instrument de mesure permettant de mesurer l’état quantique moyen des photons démultipliés .
Par « base observable », on désigne une base de deux polarisations complémentaires, par exemple deux polarisations linéaires orthogonales.
Par « polarisation indéterminée dans une base observable », on désigne un photon dont la polarisation telle qu’observée dans l’une des deux polarisations prédéterminées d’une base observable n’est pas définie, c’est-à-dire est aléatoire, par exemple de façon équiprobable.
Les premier et deuxièmes photons étant intriqués, l’absorption du premier photon au premier récepteur détermine instantanément la polarisation du deuxième photon, notamment avant que celui-ci n’atteigne le deuxième récepteur.
La mesure de la polarisation des photons démultipliés au deuxième récepteur permet alors de détecter si le premier photon a, ou non, été absorbé, et en déduire quelle information a été transmise. L’information transmise par ce système est par exemple de type binaire.
Le premier récepteur peut comporter au moins un deuxième instrument d’absorption, le sélecteur optique étant disposé en amont du premier et deuxième instrument et configuré pour soit laisser passer le premier photon en le dirigeant vers l’un ou l’autre des instruments, soit l’empêcher d’être absorbé.
L’utilisation de deux instruments permet de transmettre trois informations différentes, par exemple les valeurs 0,1 et 2, la valeur 0 étant par exemple affecté à la réflexion, la valeur 1 au premier instrument, et la valeur 2 au second instrument.
Sélecteur optique
Le sélecteur optique du premier récepteur peut être de type varié. Il est avantageusement placé en amont de l’instrument de mesure afin de pouvoir empêcher le photon incident d’atteindre l’instrument de mesure, si cela est souhaité.
Pour ce faire, le sélecteur comporte de préférence un réflecteur, notamment un miroir contrôlé, permettant par exemple de réfléchir le premier photon sur un chemin de propagation différent de son chemin de propagation incident, notamment sur un chemin de propagation ne comportant pas l’instrument de mesure.
Par « miroir contrôlé », on désigne un dispositif dont certaines propriétés, par exemple les propriétés de réfraction ou la direction de réflexion sont contrôlées par un dispositif annexe lié au miroir, notamment un dispositif électronique, par exemple générant un champ électrique.
Le sélecteur optique comporte de préférence un dispositif dont l’indice de réfraction et/ou la direction de réflexion sont contrôlés, notamment contrôlés grâce un champ électrique ou un flux lumineux.
Alternativement, le sélecteur optique comporte, par exemple, un miroir de Bragg, notamment un miroir de Bragg dont la direction de réflexion est commandée par un matériel piézo-électrique contrôlé lui-même par un champ électrique.
En variante, le sélecteur optique comporte un prisme, notamment comportant des cellules de Pockels dont l’indice de réfraction est contrôlé par un champ électrique, l’application d’un champ électrique pouvant diriger le photon vers le ou l’un des instruments de mesure ou vers un miroir de Bragg avantageusement incliné par rapport à la direction d’incidence des ondes électromagnétiques l’atteignant, de telle sorte que les dites ondes sont réfléchies vers un endroit de préférence diffèrent de celui dont elles proviennent à l’entrée du prisme.
Dans une autre variante, le sélecteur optique comporte un ou une succession de filtres de Bragg dont certaines couches sont des cellules de Pockels dont l’indice de réfraction est contrôlé par un champ électrique, le dit filtre de Bragg réfléchissant ou laissant passer l’onde lumineuse selon l’application ou non du champ électrique
Alternativement les cellules des Pockels utilisées ci-dessus sont remplacées par des cristaux non linéaires éclairés par une lumière puissante pouvant faire varier l’indice de réfraction du milieu traversé par le photon, la longueur d’onde de la lumière puissante étant de préférence différente de la longueur d’onde du photon.
Le sélecteur optique permet notamment d’orienter les photons dans trois directions différentes, une direction permettant par exemple aux photons de ne pas être détectés, une seconde permettant de mesurer une polarisation linéaire des photons et une troisième permettant de mesurer une polarisation circulaire.
Dispositif de protection
De préférence, le système de communication quantique comporte de plus un dispositif de protection de l’état quantique d’au moins un photon, notamment un dispositif qui empêche la mesure ou l’absorption d’au moins un photon, disposé à proximité du premier récepteur de façon à permettre de protéger l’état quantique du premier photon après sa réflexion, l’empêchant d’être absorbé ou mesuré par un ou des instruments de mesure, ledit état quantique du premier photon étant protégé au moins jusqu’à ce que le deuxième photon ait été démultiplié au deuxième récepteur.
Le dispositif de protection de l’état quantique est placé proche du premier récepteur de façon à protéger l’état quantique du premier photon lorsque celui-ci est réfléchi et/ou dévié de son chemin de propagation incident par le sélecteur optique pour ne pas y être observé, c’est-à-dire lorsqu’on ne souhaite pas qu’il soit absorbé par l’instrument de mesure du premier récepteur.
De préférence, le dispositif de protection de l’état quantique comporte un espace transparent, notamment un espace transparent et au moins un miroir. L’espace transparent peut être vide ou rempli de gaz ou de liquide.
De préférence, il comporte plusieurs miroirs de Bragg, agencés par rapport à l’espace transparent de façon à piéger le photon qu’il reçoit sur un chemin de longueur appropriée comme décrit plus haut, c’est-à-dire correspondant au temps qu’il faut pour que le second photon ayant atteint le second récepteur y soit amplifié.
En variante, le dispositif de protection comporte une fibre optique de longueur permettant au premier photon d’y circuler en attendant que le second photon ayant atteint le second récepteur y soit amplifié.
Dans une autre variante, le dispositif peut être une portion d’espace ou d’atmosphère vide ou rempli de gaz dont on s’assure qu’elle n’est pas traversée par un objet réfléchissant ou absorbant la lumière.
Instrument d’absorption du premier photon
Au premier récepteur, le premier photon peut être absorbé par au moins un instrument d’absorption dans l’un de deux états d’une paire de polarisations complémentaires.
De préférence, l’instrument d’absorption comporte au moins un filtre permettant d’envoyer le premier photon vers au moins un détecteur de photons, notamment vers l’un ou l’autre de deux détecteurs de photons selon l’état de polarisation du premier photon, le filtre étant de préférence un prisme ou une lame en matériau biréfringent.
L’instrument d’absorption peut encore comporter un filtre polarisant et un détecteur de photons situé à la suite dudit filtre polarisant.
L’instrument d’absorption peut encore comporter un miroir semi transparent reflétant les photons polarisés circulairement vers un premier détecteur de photons et laissant passer les autres vers un deuxième détecteur de photons, comme décrit dans l’article de Mai, Wending, et al. "Broadband transparent chiral mirrors: Design methodology and bandwidth analysis." (AIP Advances9.4 (2019): 045305).
Emission des photons
Emetteur de paires de photons
De préférence, l’émetteur génère des paires de photons intriqués par réduction paramétrique spontanée (SPDC), c’est-à-dire suivant un procédé dans lequel un photon initial, aussi appelé photon « pompe », est dédoublé et sa fréquence divisée par deux par un phénomène de mélange à quatre ondes, dans un milieu optique d’indice de réfraction non linéaire, comme cela est décrit dans l’article de Amanti et. al, « les sources intégrées de photons intriqués au cœur des technologies quantiques » (Photoniques, numéro 91, 2018).
Ce type d’émetteur de paires de photons permet de produire des photons dont l’intrication est relativement robuste, mais présente le désavantage de parfois produire plus d’une paire de photons à la fois, ce qui n’est pas désirable car non contrôlé. Des dispositifs annexes peuvent être mis en place pour traiter ces paires multiples « parasites », comme cela est décrit dans la suite.
En variante, on peut utiliser un émetteur comportant une boîte quantique pour générer des paires de photons intriqués, comme décrit dans l’article précité, ce qui permet d’obtenir des paires de manière plus régulière. Les propriétés d’intrication des photons obtenus avec une telle méthode peuvent néanmoins parfois être instables.
On peut aussi utiliser des fibres optiques en cristal biréfringent tel que décrit dans l’article de Smith et. al « Photon pair generation in birefringent optical fibers” (Optics Express, Vol 17, Issue 26, 2009).
De préférence, l’émetteur est configuré pour générer successivement une pluralité de paires de photons intriqués.
On peut envoyer les photons intriqués à la sortie de l’émetteur sur les premier et deuxième chemins de propagation de diverses façons.
Emission selon une polarisation prédéterminée
Les photons sont de préférence émis selon une polarisation prédéterminée. Par « polarisation prédéterminée », on entend dans l’un des deux états d’une paire prédéterminée de polarisations complémentaires, par exemple une polarisation linéaire d’une certaine direction. Une lame biréfringente peut par exemple séparer les deux photons intriqués selon leur polarisation linéaire verticale ou horizontale.
Une polarisation prédéterminée des photons intriqués envoyés à chacun des récepteurs permet notamment de connaitre la probabilité d’un état selon une polarisation ou sa polarisation complémentaire pour toute paire de polarisations complémentaires choisie.
On peut ainsi générer des séries de bits aléatoires à la réception des dits photons par les récepteurs, les dites séries étant complémentaires aux deux récepteurs, la polarisation d’un photon reçu au second récepteur étant la polarisation complémentaire de la polarisation observée au premier récepteur.
Une polarisation prédéterminée est aussi nécessaire lors que l’on utilise des lames quart d’onde au premier récepteur pour faire tourner la direction de polarisation du premier photon.
Pour émettre des photons avec selon une polarisation linéaire prédéterminée, on dispose par exemple à la sortie de l’émetteur une lame ou un prisme comportant un matériau optiquement transparent biréfringent, par exemple du niobate de Lithium ou du rutile (TiO2), dont les indices optiques dépendent de l’axe de polarisation de la lumière par lequel transite au moins l’un des deux photons.
Ce dernier sort alors du prisme à l’un de deux endroits différents, selon sa polarisation linéaire.
Si la source de photons intriqués émet les deux photons dans la même direction et selon un axe perpendiculaire à l’axe ordinaire du matériau optiquement transparent biréfringent, on collecte à la sortie du prisme, à l’endroit par lequel sortent les ondes électromagnétiques dont le champ électrique est parallèle à l’axe ordinaire du matériau optiquement transparent biréfringent, le premier photon pour l’envoyer vers le premier récepteur.
De la même manière, on collecte le deuxième photon sortant par l’endroit où sortent les ondes électromagnétiques dont le champ est perpendiculaire à l’axe ordinaire afin de l’envoyer vers le second récepteur.
Dans le cas où les deux photons intriqués sont générés depuis l’émetteur à des endroits et/ou dans des directions différentes, on peut projeter chacun des deux photons sur des prismes biréfringents dans une direction perpendiculaire à l’axe ordinaire de chacun des prismes et rediriger chaque photon vers le récepteur qui lui est destiné, les photons sortant par des endroits différents des prismes étant alors de préférence perdus ou détruits par projection sur une surface absorbante.
On peut par exemple utiliser pour le premier photon intriqué celui sortant d’une première lame biréfringente ou d’un premier cristal biréfringent avec la polarisation linéaire parallèle au premier axe, et comme second photon intriqué celui sortant avec une polarisation linéaire parallèle à un premier axe du cristal utilisé pour la seconde lame ou le second prisme qui aura été ajusté pour permettre la sortie des photons selon une polarisation prédéterminée correspondant à la polarisation des photons intriqués aux photons sortant de la première lame ou du premier prisme biréfringent avec une direction parallèle au premier axe.
Pour faciliter le transport desdits photons vers les récepteurs, on place, de préférence, à la sortie des endroits d’où sortent les photons des prismes, des lames à retard biréfringentes transformant les polarisations linéaires desdits photons en polarisation circulaires.
On dispose alors, de préférence une autre lame à retard biréfringente à l’entrée de chacun des récepteurs pour retransformer les polarisations circulaires des photons en polarisation linéaires, cette transformation en polarisation linéaire permettant d’ajuster précisément l’axe de polarisation.
Transmission des photons
Les photons peuvent être transmis des émetteurs vers les récepteurs à travers l’espace, par l’atmosphère, une fibre optique ou une combinaison de ces moyens.
On peut utiliser des lentilles pour la transmission des photons, notamment pour la transmission à travers l’espace ou l’atmosphère. Le cas échéant, on dispose de préférence des couches anti-reflet sur lesdites lentilles. La taille des lentilles utilisées est de préférence adaptée et la longueur de la transmission spatiale ou atmosphérique des photons.
On peut utiliser pour ajuster la direction d’émission des photons conjugués pour la transmission spatiale ou atmosphérique, des miroirs conjugués qui réfléchissent la lumière émise à l’émetteur. Un émetteur de lumière laser peut par exemple scanner un espace afin d’y détecter le récepteur, le récepteur lui réfléchissant la lumière émise et la direction des photons conjugués étant alors ajustée pour être parallèle ou confondue avec la direction de la lumière réfléchie par les miroirs conjugués.
La lumière émise par l’émetteur de lumière laser peut être de longueur d’onde proche de la longueur d’onde des photons intriqués et introduite dans l’objectif utilisé par les photons par un prisme dichroïque.
En variante, si la longueur d’onde est la même que celle des photons intriqués, la lumière peut être introduite par un prisme biréfringent lorsque lesdits photons sont de polarisation linéaire, la polarisation de la lumière servant au guidage étant alors perpendiculaire à la polarisation des photons intriqués dirigés vers le même récepteur. Une cellule de Pockels en amont des récepteurs peut servir à guider la lumière vers les miroirs conjugués lors de l’arrivée de la lumière de guidage.
Dans une autre variante, les ondes lumineuses servant à la visée peuvent être émises parallèlement aux photons intriqués mais éloignées par exemple quelques centimètres pour être réfléchies par des miroirs conjugués.
Dans une autre variante, on peut ne pas utiliser de miroir conjugué mais viser de même les récepteurs ou des cibles proches de ceux-ci, l’information suivant laquelle les cibles sont reçues étant communiquées par un autre moyen de communication, notamment par signal hertzien ou par transmission quantique.
La zone à scanner peut être identifiée par reconnaissance cartographique de la zone dans laquelle les dits récepteurs sont susceptibles de se trouver.
On peut par ailleurs utiliser le modificateur de phase précité lorsque les récepteurs sont en rotation relative par rapport à l’émetteur, notamment à cause de la rotation de la terre et des satellites, pour permette aux photons émis dans une direction fixe par rapport à l’émetteur de rentrer dans chacun des récepteurs avec une direction fixe et déterminée par rapport à celui-ci.
Procédés d’étalonnage
Les différents médias traversés par les photons depuis leur lieu d’émission jusqu’aux deux récepteurs peuvent donner lieu à des modifications de leur phase non nécessairement souhaitées ou prévues.
De plus, ces modifications peuvent être différentes selon que les photons soient dirigés vers le premier ou le second récepteur. Enfin, ces modifications peuvent varier au cours du temps en fonction notamment de la météo ou de la température des matériaux lors de leur utilisation.
On peut étalonner périodiquement le système selon l’invention en faisant absorber les photons par le premier récepteur dans des polarisations appartenant à des paires prédéterminées de polarisations complémentaires et en observant pour chacune de ces paires l’une des deux polarisations possibles dans lequel le photon intriqué est détecté par le second récepteur.
Ainsi, l’invention a encore pour objet, un procédé d’étalonnage d’un système tel que défini plus haut permettant de déterminer l’état de polarisation d’un photon atteignant le deuxième récepteur en fonction de l’état de polarisation dans lequel son photon intriqué a été absorbé au premier récepteur, procédé comportant les étapes consistant à :
  • Générer des paires de photons intriqués à partir d’un émetteur, le premier photon de la paire étant émis vers un premier récepteur et le deuxième photon de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur, les premiers et deuxièmes photons étant intriqués selon leur état de polarisation,
  • Absorber les premiers photons au premier récepteur dans une paire de polarisations prédéterminée, mémoriser dans laquelle des deux polarisations possibles chaque photon a été absorbé et stopper l’envoi de photons par l’émetteur dès qu’un nombre prédéterminé de chacune des polarisations différentes ont été observées,
  • Au second récepteur, dupliquer les deuxièmes photons en des flux de photons démultipliés grâce à un dispositif d’amplification, chaque photon démultiplié ayant conservé l’état de polarisation du deuxième photon,
  • Mesurer les états de polarisation, c’est-à-dire les directions de polarisation et déphasages de chaque flux de photons démultipliés, et mémoriser ces mesures ainsi que leurs heures de réception,
  • Transmettre la liste des polarisations et heures de réception des photons mémorisées du premier récepteur au second récepteur,
  • Supprimer de la liste des photons reçus au second récepteur les photons ne correspondant pas à des photons reçus au premier récepteur et, de même, supprimer de la liste des photons reçus au premier détecteur les photons dont le photon correspondant n’a pas été reçu au second récepteur, et
  • Calculer à l’aide d’une part : de la connaissance de l’état de polarisation de deux photons détectés dans des polarisation complémentaires au premier récepteur et dont les photons intriqués ont atteint le second récepteur, et d’autre part de la connaissance de l’état de polarisation des photons intriqués correspondant reçus au second récepteur, la matrice de Jones permettant de déduire de la polarisation des photons reçus au premier récepteur la polarisation des photons reçus au second récepteur.
La mémorisation des états de même que le calcul de la matrice de Jones s’effectuent par tout dispositif électronique adapté, par exemple un microcontrôleur.
La matrice de Jones ainsi calculée permet de calculer la polarisation du second photon intriqué reçu au second récepteur en fonction de la polarisation d’absorption du premier photon par l’absorbeur complexe situé au premier récepteur.
Un second étalonnage peut être fait consistant à déterminer la probabilité pour tout photon arrivant au second récepteur dont le photon intriqué a été absorbé au cours de son transit vers le premier détecteur d’appartenir à chaque gamme de paires de polarisations complémentaires détectable ou identifiable par le second récepteur ; la gamme d’une polarisation P étant définie comme l’ensemble des polarisations assimilées par l’instrument de mesure de polarisation comme étant de polarisation P.
Ainsi, l’invention a encore pour objet, un procédé d’étalonnage d’un système tel que défini plus haut permettant de déterminer la probabilité de perdre un photon lors de son transit de l’émetteur au premier récepteur consistant à :
  • Configurer l’absorbeur complexe du premier récepteur pour absorber les photons reçus au premier récepteur dans l’une de deux polarisations complémentaires d’une paire de polarisation absorption,
  • Générer successivement plusieurs paires de photons intriqués à partir d’un émetteur, le premier photon de la paire étant émis vers un premier récepteur et le deuxième photon de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur, les premier et deuxième photons étant intriqués selon leur état de polarisation,
  • Compter le nombre de photons reçus au second récepteur dans chacune des gammes de polarisations détectables par le second récepteur autres que l’une des deux gammes de polarisations des photons intriqués des photons absorbés par le premier détecteur.
On peut ainsi détecter des gammes de polarisations dans lesquelles les photons intriqués de photons perdus en cours de transmission lors de leur transit vers le premier détecteur arrivent en priorité, ou de façon le plus probables et ainsi de préférence éviter d’utiliser les polarisations d’absorptions correspondantes pour transmettre des données du premier au deuxième récepteur.
On peut aussi en faisant le rapport entre le nombre de photons reçus au second récepteur avec l’une des polarisations correspondant à l’une de deux polarisations d’absorption au premier récepteur, calculer un taux de transmission des photons entre l’émetteur et le second récepteur.
Instrument de mesure du second récepteur
L’instrument de mesure du deuxième récepteur comporte de préférence au moins un détecteur de photons agencé pour mesurer la polarisation de la lumière issue de la démultiplication du deuxième photon.
L’instrument de mesure du second récepteur comporte par exemple une succession de lames semi-réfléchissantes disposées en aval de l’amplificateur optique, lesdites lames dirigeant le flux de photons démultipliés, c’est-à-dire le flux lumineux, avec une égale intensité vers des instruments de mesure de polarisation agencés par exemple pour mesurer l’intensité du flux selon deux axes perpendiculaires et/ou le déphasage de la lumière entre ces deux mêmes axes.
La lumière peut aussi être dirigée vers divers filtres polarisants après être passée par une ou une succession de lentilles qui agrandissent la section du faisceau lumineux permettant ainsi à plusieurs miroirs ou lentilles de diriger des portions de ce faisceau lumineux vers les divers instruments de mesure de polarisation.
Les divers instruments de mesure de la polarisation permettent de préférence de :
  • mesurer l’intensité de la composante du champ électrique de la lumière selon un premier axe x,
  • mesurer l’intensité de la composante du champ électrique de la lumière selon un second axe y perpendiculaire au premier axe x,
  • mesurer me déphasage entre la lumière selon son axe x et la lumière selon son axe y,
  • et, de préférence, mesurer le déphasage entre la lumière selon son axe x’, bissectrice de x et y et la lumière selon son axe y’.
La mesure de l’intensité de la lumière selon deux axes perpendiculaires se fait par exemple par la séparation de la lumière selon deux axes perpendiculaires par une lame ou un prisme biréfringent suivi de deux capteurs d’intensité lumineuse placés en sorties de ladite lame ou dudit prisme. La mesure du déphasage entre deux composantes perpendiculaires, se fait par exemple par la séparation de la lumière selon deux axes perpendiculaires par une lame ou un prisme biréfringent suivi, pour l’onde polarisée selon l’un des deux axes, d’une rotation de cet axe de polarisation de 90°, par exemple grâce à un matériau rotatif ou chiral ou par la succession de deux lames quart d‘ondes, puis une projection conjointe à travers des fentes d’Young de ces deux ondes, dont l’une a subi la rotation de son champ électrique, sur un écran , les interférence des deux sources de lumière dessinant des franges dont les positions dépendent dudit déphasage.
Amplificateur optique
On désigne par « amplificateur optique » un dispositif permettant de dupliquer un photon qui y est introduit, notamment, le deuxième photon d’une paire de photons intriqués, en conservant son état de polarisation.
De préférence, l’amplificateur optique est un amplificateur à fibre dopée.
On peut par exemple utiliser un amplificateur à Erbium (EDFA), par exemple de 4m de long, dans lequel le photon à amplifier est introduit en même temps qu’une onde amplificatrice de longueur d’onde plus courte, ce qui permet d’amplifier l’onde correspondant au photon introduit, avec des gains pouvant être de l’ordre de 37db/m.
On peut aussi utiliser un amplificateur à fibres dopées (DFA) utilisant un dopant diffèrent de l’Erbium.
En variante, l’amplificateur optique est par exemple un amplificateur à cavité verticale (VCSOA), ou encore un amplificateur de type semi-conducteur (SOA).
Couches anti-reflet
Pour éviter la perte de photons, on dispose de préférence des couches anti-reflet aux interfaces entre les milieux transparents adjacents d’indice différent traversés par les photons, ainsi qu’aux interfaces des prismes et lames biréfringentes traversées par des photons, la couche anti-reflet étant adaptée de préférence à ou aux indices du matériau et à ou aux angles d’incidences et directions de polarisation ainsi que à la longueur d’onde du photon qui doit le traverser.
Filtres dichroïques
Le premier et/ou le deuxième récepteur comportent de préférence un ou plusieurs filtres dichroïques permettant de ne laisser passer que les photons d’une longueur d’onde donnée, notamment un prisme constitué d’un matériau transparent dispersif, le ou les filtres étant de préférence disposés devant le ou les instruments de mesure, ou devant le sélecteur optique pour le premier récepteur, et ce notamment si les indices de réfraction des matériaux non linéaires sont modifiés par application de flux lumineux puissants.
Affectation des photons à l’information avec horloges synchronisées
Lorsque les photons arrivent au second récepteur, il est utile de pouvoir différencier s’ils doivent être affectés à l’information transmise, s’il s’agit d’une information transmise plusieurs fois ou encore s’il s’agit d’une information qui n’aurait pas été codée sur une paire de photons intriqués.
En effet, les émissions de photons sont parfois irrégulières, par exemple un émetteur de type SPDS tel que mentionné plus haut, peut émettre une double paire de photons sans que cela ne soit souhaité.
L’émetteur et chacun des récepteurs comportent de préférence une horloge, les horloges de l’émetteur et des récepteurs étant synchronisées entre elles.
Cela permet, lorsque combiné avec la connaissance du temps de voyage des photons entre l’émetteur et chacun des récepteurs de déterminer des périodes de codage et de réception, de préférence répétitives, pendant lesquelles un photon peut être codé au premier récepteur pour les périodes de codage et son photon intriqué arriver au second récepteur pendant les périodes de réception.
Si plusieurs photons sont reçus pendant une période de réception, le premier récepteur conserve un état inchangé jusqu’à un moment compris entre par exemple un quart du temps de non-émission après la fin la période de réception et la moitié du temps de non-émission δt’ avant la prochaine période de réception.
Le second récepteur enregistre de préférence les bits reçus pour chaque période de réception. Il transmet alors avantageusement au premier récepteur de temps en temps, notamment si le dispositif utilise la réflexion pour transmettre un bit ou un trit, par exemple tous les 3000 intervalles de réception, ou tous les 100 intervalles de réception sans photon, une liste des périodes de réception pour lesquelles il n’a pas reçu de de photon, le photon transmis ayant pu être perdu ou aucun photon n’ayant été émis par l’émetteur pour cette période, sans que le premier émetteur ne sache s’il a réfléchi de photons durant ces mêmes périodes, notamment si le dispositif ne dispose pas de détecteur de photons.
La transmission de cette liste peut se faire par communication instantanée utilisant le procédé selon l’invention décrit plus bas, ou par un moyen communication classique. A la réception de cette liste, le premier récepteur transmet alors les bits correspondant à ces périodes de transmission pour lesquelles aucun photon n’a atteint le second récepteur.
En variante, le premier récepteur n’utilise pour transmettre des informations que les deux instruments de mesure différents, l’un détectant les polarisations linéaires, l’autre les polarisations circulaires.
Le premier récepteur retransmet alors chaque bit en sélectionnant l’instrument de mesure approprié au bit qu’il veut transmettre pour cette période de transmission, et conserve de préférence le sélecteur dans le même état jusqu’à la fin de la période de transmission pour laquelle il reçoit un photon, lui permettant de sélectionner l’instrument de mesure à utiliser pour la transmission du bit suivant.
Le second récepteur, en recevant les photons pendant les périodes de transmission, et s’il en reçoit, mesure pour chaque période de transmission leur état de polarisation et en déduit le bit qu’il doit ajouter à la liste des bits reçus.
Si la ligne de transmission entre l’émetteur et le premier récepteur a une certaine opacité et peut absorber une certaine proportion des photons qui y transitent, certains photons peuvent arriver au deuxième récepteur pendant les périodes de réception avec des polarisations aléatoires.
Le second récepteur peut alors être configuré pour reconnaitre au moins une part des photons arrivant dans un état de polarisation qui ne peut être celui d’un photon intriqué absorbé ou réfléchi au premier récepteur.
Décalage des horloges
De préférence, les horloges des composants du système, à savoir de l’émetteur et des deux récepteurs, sont configurées pour tenir compte du phénomène d’écoulement diffèrent du temps en différents endroits, notamment des différentes altitudes de chacun des composants.
Synchronisation des périodes de transmission entre récepteurs
On peut mettre en place un procédé permettant aux premier et second récepteurs de synchroniser leurs horloges.
Par exemple, lors de la mesure d’un premier photon, le premier récepteur note en utilisant sa propre horloge l’heure à laquelle ledit photon a heurté l’instrument de mesure.
L’heure notée est par la suite transmise au second récepteur ainsi que, de préférence, les références de l’intervalle de transmission, notamment l’heure de commencement et éventuellement la durée durant laquelle le photon a été attendu.
Le second récepteur note l’heure de réception du deuxième photon afin d’ajuster sa propre horloge pour que le décalage entre le début de la période de transmission et l’heure où le premier photon a heurté l’instrument de mesure du premier récepteur soit le même que le décalage entre le début de la période de réception du second photon au second récepteur avec l’heure donnée par l’horloge pour la réception du second photon.
Si les lignes de transmission entre l’émetteur et l’un ou l’autre des récepteurs absorbent certains photons, l’émetteur peut envoyer des photons en nombre prédéterminé, ou pendant une durée prédéterminée, et chacun des deux récepteurs peut noter l’heure moyenne de réception de chacun des photons puis un des récepteurs peut communiquer à l’autre récepteur cette dite heure moyenne ;
L’heure moyenne peut être calculée en faisant la moyenne des heures de réception de chacun des photons ou seulement du premier et du dernier photon reçu. Le nombre prédéterminé de photons envoyés ou la durée de leurs envois sont de préférence ajustés notamment en fonction du taux de transmission / perte de photons sur chacun des deux trajets entre l’émetteur et les récepteurs, et la fréquence moyenne d’envoi des photons.
Les durées de transit des photons entre l’émetteur et chacun des récepteurs étant différentes, la synchronisation des horloges entre chacun des récepteurs peut être différente suivant qu’il s’agisse de transmission des informations dans un sens ou dans l’autre. Chacun des récepteurs peut alors avoir un registre de synchronisation servant à incrémenter ou au contraire soustraire à l’heure de l’horloge dudit récepteur un lapse de temps ajusté lors de la synchronisation, pour en déduire l’heure d’une horloge synchronisée pour la réception d’informations en provenance de l’autre récepteur.
Transmission entre émetteur et récepteur
On peut mettre en place un procédé permettant de synchroniser les périodes d’envoi des photons aux récepteurs et les périodes de réception aux récepteurs, ces périodes étant des intervalles de temps pendant lesquelles des photons peuvent quitter l’émetteur ou atteindre le récepteur.
A cette fin, l’émetteur peut émettre un premier signal lumineux bref suivi ou précédé d’autres signaux lumineux composant un message, de préférence signés par une signature digitale indiquant l’heure précise, à son horloge, de l’envoi du signal.
A réception dudit premier signal lumineux, le récepteur note l’heure de réception puis lit l’heure d’envoi du signal, fait la différence entre l’heure d’envoi du signal et l’heure du début de la période de transmission des photons, pendant laquelle le signal a été envoyé, ou si celui-ci a été envoyé en dehors d’une période de transmission, le début de la période de transmission précédente, et fait de même avec l’heure de réception du signal et l’heures du début de la période de réception.
Si la différence entre la date d’émission du signal et le début de la période de transmission est plus grande que la différence entre la date de réception et le début de la période de réception, le récepteur peut avancer le début de la période de transmission, ou l’inverse dans le cas contraire.
L’étalonnage est avantageusement répété plusieurs fois et les résultats sont moyennés, permettant alors d’ajuster les horloges avec une précision supérieure à l‘imprécision des heures d’envoi et de réception desdits signaux lumineux.
La longueur d’onde utilisée pour le signal lumineux est de préférence la même que la longueur d’onde des photons intriqués, de façon à ce que celui-ci soit transmis à la même vitesse que les photons intriqués.
Affectation des photons à l’information sans horloge synchronisée
En variante aux horloges synchronisées, le premier récepteur peut comporter des détecteurs- transmetteurs et un élément d’attente, par exemple un réflecteur agencé pour réfléchir le premier photon avec une polarisation prédéterminée différentes des polarisations détectables par les détecteurs transmetteurs, ou encore un élément agencé pour absorber le premier photon dans une polarisation prédéterminée différente des polarisations des détecteurs transmetteurs
Les polarisations des détecteurs-transmetteurs sont de préférence complémentaires de telle sorte que tout photon dirigé vers un élément d’attente absorbant est absorbé.
Les détecteurs-transmetteurs sont de préférence agencés pour détecter la polarisation des photons dans au moins quatre polarisations différentes, ces polarisations étant groupées en paires complémentaires de telle sorte que tout photon dirigé vers un détecteur-transmetteur est ainsi détecté et absorbé quelle que soit sa polarisation initiale.
Le ou les détecteurs-transmetteurs du premier récepteur sont utilisés pour envoyer les informations par choix de la paire de détecteurs utilisée.
Chaque photon reçu par le premier récepteur pendant une période prédéterminée, aussi désignée comme « période de repos », après la réception d’un photon ayant servi à un envoi d’information est envoyé vers l’élément d’attente, la durée de cette période prédéterminée étant de préférence fixée et de préférence supérieure à deux fois l’imprécision de l’horloge des récepteurs, et le commencement de cette période de repos étant déterminé par le ou l’un des deux capteurs absorbant le photon ayant été utilisés pour envoyer l’information.
Le second récepteur est de préférence agencé pour d’une part,
  • ignorer les photons appairés à des photons envoyés vers l’élément d’attente, d’autre part,
  • interpréter deux photons successifs non appairés à des photons envoyés vers l’élément d’attente comme des bits successifs si ceux-ci sont séparés d’au moins la période de repos auquel est soustrait l’imprécision de l’horloge des récepteurs, et enfin,
  • interpréter deux photons reçus successivement dans un temps inférieur ou égal à par exemple les trois quart de la période de repos comme représentant un même bit.
Le second récepteur peut aussi détecter une erreur dans la transmission de l’information si : deux photons consécutifs de polarisations différentes non appairés à des photons envoyés vers l’élément d’attente sont reçus dans un temps inferieur à la période de repos moins l’imprécision de l’horloge des récepteurs.
Cette méthode présente l’avantage de ne pas nécessiter de placer un commutateur à l’émetteur pour restreindre les émissions de photons intriqués, ni de synchronisation d’horloge.
Le ou les détecteurs transmetteurs des premiers récepteurs peuvent aussi servir à la fois d’élément d’attente, notamment si la polarisation dans laquelle ils détectent les photons est ajustable et peut donc être ajustée sur la polarisation utilisée par l’élément d’attente pour absorber les photons.
Dispositif anti-bruit
Les amplificateurs optiques ont tendance à émettre des photons en sens inverse du signal de propagation, soit lors de l’amplification du signal, soit en absence de signal, après que des molécules ou des atomes du milieu amplificateur aient été excités par un signal pompe.
Le deuxième récepteur comporte par exemple un commutateur disposé devant l’amplificateur optique, afin de limiter le nombre de photons émis par l’amplificateur vers la source de photons intriqués du dispositif.
Le commutateur du second récepteur est par exemple configuré pour absorber ou réflechir le ou les photons subséquents à un premier photon atteignant ledit second récepteur dans un intervalle de temps prédéterminé.
Le commutateur du second récepteur peut être connecté à l’instrument de mesure du deuxième récepteur, afin de ne plus laisser passer la lumière dans un sens ou dans l’autre dès l’arrivée d’un premier photon et jusqu’à ce que le photon suivant soit attendu ou un temps prédéterminé avant ce moment, par exemple la moitié de la période de repos définie plus haut.
Alternativement, le commutateur du second récepteur peut ne laisser passer les photons que lors des périodes où ils sont attendus, notamment pendant les intervalles de temps de traitement des photons précités.
Affectation des photons à l’information sans horloge synchronisée utilisant des moyens de transmission optiques peu transparents
Les fibres optiques, quoique transparentes, ne transmettent pas tous les photons présentés à leur entrée. Une perte de 0.20db par kilomètres est courante, faisant par exemple perdre 10db en 50 km soit 90% des photons.
L’effet des photons perdus en transit entre l’émetteur et le premier récepteur est cependant différent de l’effet de la perte des photons perdus allant vers le second récepteur ; les photons intriqués des photons perdus entre l’émetteur et le premier récepteur pouvant arriver au second récepteur avec une polarisation quelconque correspondant à la polarisation du photon intriqué absorbé dans la ligne allant ers le premier récepteur , alors que la perte d’un photon dans la ligne conduisant au second récepteur ne fait que faire disparaitre un photon potentiellement porteur d’information c’est-à-dire dont le photon intriqué a atteint le premier récepteur.
De plus, les polarisations des photons arrivant au second récepteur après que leurs photons intriqués ont été absorbés en transit vers le premier récepteur ne sont pas nécessairement equi-reparties parmi toutes polarisations possibles observables.
On utilise donc de préférence pour la transmission d’information, des paires de polarisations complémentaires pour lesquelles des polarisations correspondantes observées au second récepteur sont les moins nombreuses lorsque le photon intriqué du photon détecté au second récepteur a été absorbé lors de son transit vers le premier récepteur.
L’invention a encore pour objet, un procédé d’étalonnage d’un système tel que défini plus haut, permettant de déterminer deux matrices de Jones dont l’une d’elles permet de calculer la polarisation d’un photon arrivant au second récepteur en fonction de la polarisation d’un photon absorbé au premier récepteur, dans lequel, de préférence, la quantité de polarisations différentes observables au second récepteur est supérieure au double de l’inverse du taux de transmission de photons entre l’émetteur et le premier récepteur, le procédé consistant à :
  • Configurer l’absorbeur complexe du premier récepteur pour absorber les photons reçus au premier récepteur dans l’une de deux polarisations complémentaires d’une paire de polarisation d’absorption,
  • Générer successivement plusieurs paires de photons intriqués à partir d’un émetteur, le premier photon de la paire étant émis vers un premier récepteur et le deuxième photon de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur, les premier et deuxième photons étant intriqués selon leur état de polarisation,
  • Compter pour chaque polarisation dans laquelle un photon est reçu au second récepteur le nombre de photons ayant atteint ledit second récepteur avec cette même polarisation,
  • Arrêter d’envoyer des photons quand un nombre prédéterminé de photons est reçu au second récepteur,
  • Déterminer les deux polarisations dans lesquelles les photons ont été reçus le plus souvent au second récepteur, ces polarisations étant considérées comme correspondant aux polarisations d’absorption des photons au premier récepteur,
  • Calculer les deux matrices de Jones possibles de transformation des polarisations permettant de déduire de la polarisation d’un photon reçu au premier récepteur, la polarisation d’un photon reçu au second récepteur.
L’enregistrement de la polarisation d’au moins un photon reçu aux premiers récepteur et de celle de son photon intriqué reçu au second récepteur, la correspondance étant faite par exemple grâce à leurs heures respectives de réception permet par ailleurs de pouvoir choisir parmi les deux matrices de Jones calculées, la quelle permet de calculer la polarisation des photons reçus au second récepteur en fonction de la polarisation de leurs photons intriqués éventuellement reçu au premier récepteur.
On peut encore utiliser le procédé suivant pour transmettre des informations du premier au deuxième récepteur, procédé comportant les étapes consistant à :
  • Générer successivement plusieurs paires de photons intriqués à partir d’un émetteur, le premier photon de la paire étant émis vers un premier récepteur et le deuxième photon de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur, les premier et deuxième photons étant intriqués selon leur état de polarisation,
  • Pour chaque information devant être transmise, configurer l’absorbeur complexe du premier récepteur pour absorber un nombreNPTde photons de transmission dans une paire de polarisations complémentaires prédéterminée appelée «paire de polarisation d’absorption » correspondant à l’information devant être transmise, puis, si l’information suivante devant être transmise n’est pas déjà connue ou est la même que l’information venant d’être transmise, configurer l’absorbeur dans une paire de polarisations appelée «paire de polarisations d’attente », et , si ladite information est la même que l’information qui vient d’être transmise, compter au moins NPT photons absorbés dans cette « paire de polarisations d’attente » .
  • Au deuxième récepteur, compter pour chaque paire de polarisations complémentaires le nombre de photons reçus dans l’une des deux polarisations des dites paires de polarisation depuis l’éventuelle dernière réception d’un signal. Dès que ce compteur dépasse pour l’une des paires un nombre seuilNSPprédéterminé et que la paire de polarisations complémentaires est différente de celle du dernier signal reçu, considérer l’information correspondant à cette paire de polarisations comme un nouveau signal, et si cette dernière information ne correspond pas à la paire de polarisation d’attente, ajouter cette information à la liste des informations reçues.
Alternativement, au premier récepteur, l’absorbeur de polarisation est systématiquement configuré pour absorber au moins NPT photons dans l’une des deux polarisations d’attente après l’envoi de toute information.
Par exemple, pour transmettre une information, on utilisera :
  • des lignes de transmission entre l’émetteur et chacun des récepteurs présentant une atténuation de 10db soit une perte de 90% des photons.
  • des lignes de transmission entre l’absorbeur complexe configurées pour absorber les photons dans 450 paires de polarisations complémentaires, ces paires représentant 80% des photons reçus au second récepteur lors d’une absorption de leurs photons intriqués dans leurs transits vers le premier récepteur,
  • on peut choisir pour NPT=200 photons et 6 pour NSP ce qui permet d’obtenir, selon les calculs de l’inventeur, un taux d’erreur de transmission serait alors inférieur à 1 pour 10,000.
Dans un autre exemple, avec un taux d’erreur de 97% correspondant à une atténuation du signal de 15db, en utilisant 450 paires de polarisations complémentaires, chaque polarisation et déphasage étant écarté l’un de l’autre d’environ 5°, le codage de 1200 photons au premier récepteur (donc NPT=1200) et le nombre seuil NSP étant fixé à 14 permet d’obtenir, selon les calculs de l’inventeur, un taux d’erreur inférieur à 1 pour 150,000 si les photons résultant au second récepteur de photons absorbés lors de leurs transits vers le premier récepteur sont équirépartis sur toutes les polarisations observables.
Traitement des paires de photons envoyées simultanément
L’émetteur peut parfois envoyer des paires de photons intriqués très proches les unes des autres. Les détecteurs de photons situés au premier récepteur comptent donc, de préférence, le nombre de photons absorbés et non, seulement le nombre d’impacts de photons sur ledit premier récepteur. Ce comptage peut par exemple tenir compte de l’intensité de l’onde électromagnétique heurtant les détecteurs de photons.
Des groupes de photons peuvent arriver aussi presque simultanément au second récepteur, celui-ci ne pouvant discriminer les polarisations des photons les unes des autres. Le détecteur de polarisation pouvant détecter une polarisation moyenne de tous les photons détectés ‘simultanément’, la polarisation des groupes de photons arrivant simultanément au second récepteur, c’est à dire dont l’intensité lumineuse générée est par exemple supérieure de 50% à l’intensité généré par un seul photon, ne donne avantageusement pas lieu à l’incrémentation des compteurs de photons reçus dans diverse polarisation. Il se peut cependant parfois que plusieurs photons atteignent le premier récepteur mais qu’un seul de leurs photons intriqués atteigne le second récepteur et celui-ci est alors compté.
Performance du dispositif
L’utilisation de lignes sans perte ou avec peu de pertes entre l’émetteur et le premier récepteur, laissant par exemple transiter les photons dans le vide permet de réduire, ou d’éviter les photons reçus au deuxième récepteur avec une polarisation aléatoire.
De même l’utilisation au second récepteur d’instruments de mesure précis permettant soit d’augmenter le nombre de paires de polarisations complémentaires, soit d’ignorer un grand nombre de photons aux polarisations aléatoires peut permettre :
  • d’augmenter la distance de transmission des photons,
  • d’augmenter le débit en diminuant le nombre de photons de transmission NPT.
Une rapidité accrue de commutation de la polarisation de l’absorbeur complexe du premier récepteur permet d’augmenter la fréquence d’envois des photons intriqués envoyés par l’émetteur.
Une précision temporelle accrue des détecteurs de polarisation du second récepteur qui permet de discerner les parasitions de divers photons reçus très rapprochés dans le temps les uns des autres permet aussi l‘utilisation d’un flux plus grand de photons intriqués, mais aussi de diminuer le nombre de réceptions de photons reçus ‘simultanément’ comme décrit plus haut.
Cette méthode présente l’avantage de ne pas nécessiter de placer un commutateur à l’émetteur pour restreindre les émissions de photons intriqués, ni de synchronisation d’horloge.
Traitement du retour des photons vers l’émetteur
Des photons sont parfois réfléchis vers l’émetteur depuis les récepteurs. Pour éviter qu’ils soient à nouveau réfléchis par l’émetteur vers l’un des récepteurs, la cavité ou le matériau dans lequel sont produits les photons intriqués par mélange d’ondes, dont l’indice de réfraction est non linéaire, est de préférence entourée ou recouverte d’un matériau absorbant la lumière de longueur d’onde égale à celle des photons intriqués.
Procédés de communication quantique
L’invention a encore pour objet un procédé de communication quantique utilisant le système défini plus haut, comportant les étapes consistant à :
  • Générer une paire de photons intriqués à partir d’un émetteur, le premier photon de la paire étant émis vers un premier récepteur et le deuxième photon de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur, les premier et deuxième photons étant intriqués, le deuxième récepteur étant situé sur le chemin de propagation du deuxième photon plus loin de l’émetteur que le premier récepteur, de telle sorte qu’il y arrive après,
  • Modifier, grâce à un modificateur de polarisation, l’état de polarisation du premier photon lorsqu’il atteint le premier récepteur en un état de polarisation dépendant de l’information à transmettre, l’état étant choisi parmi au moins deux paires différentes de polarisations d’absorption complémentaires, à l’exception d’exactement deux paires de polarisations linéaires perpendiculaires dont les directions de polarisation de l’une des paires sont à 45° des directions de polarisation de l’autre paire,
  • Absorber, grâce à un instrument d’absorption, le premier photon dans l’une des deux polarisations complémentaires de la paire choisie,
  • Au second récepteur, dupliquer le deuxième photon en un flux de photons démultipliés grâce à un dispositif d’amplification, la lumière ainsi créée ayant conservé l’état de polarisation du deuxième photon,
  • Mesurer l’état de polarisation moyen du flux de lumière et déterminer selon cette mesure l’état de polarisation du premier photon, afin d’en déduire l’information transmise par le premier récepteur.
La paire de polarisations complémentaires est de préférence choisie parmi au moins trois paires différentes de polarisations complémentaires.
La paire de polarisations complémentaires est par exemple choisie parmi 210 paires distinctes de polarisations d’absorption, notamment parmi des polarisations espacées de 9° dans leur direction de polarisation et déphasées de 9°.
L’invention a encore pour objet un procédé de communication quantique utilisant le système défini plus haut, comportant les étapes consistant à :
  • Générer une paire de photons intriqués à partir d’un émetteur, le premier photon de la paire étant émis vers un premier récepteur et le deuxième photon de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur, les premier et deuxième photons étant intriqués, le deuxième récepteur étant situé sur le chemin de propagation du deuxième photon plus loin de l’émetteur que le premier récepteur, de telle sorte qu’il y arrive après,
  • Choisir, selon l’information à transmettre, d’absorber ou non le premier photon dans l’une de deux paires de polarisation complémentaires lorsqu’il atteint le premier récepteur grâce à un sélecteur optique dirigeant, ou non, ledit photon vers un ou vers l’un de plusieurs instruments,
  • Dans le cas où il est choisi de ne pas absorber le photon dans une polarisation prédéfinie, piéger ledit premier photon dans un dispositif de protection permettant d’éviter son absorption au moins tant que le deuxième photon n’a pas atteint le deuxième récepteur,
  • Au second récepteur, dupliquer le deuxième photon en un flux de photons démultipliés grâce à un dispositif d’amplification, chaque photon démultiplié ayant conservé l’état quantique du deuxième photon,
  • Mesurer l’état quantique moyen du flux de photons démultipliés et déterminer selon cette mesure si le premier photon a été absorbé au premier récepteur, et/ou avec quel instrument, afin d’en déduire l’information transmise par le premier récepteur.
De préférence, la polarisation de la paire de photons intriqués est indéterminée dans la ou les polarisations de la paire de polarisations complémentaires dans lequel ou lesquelles les instruments du premier récepteur les absorbent.
La paire de photons intriqués atteint par exemple les récepteurs avec une polarisation intriquée linéaire, l’une des deux polarisations complémentaires d’absorption étant circulaire, le deuxième récepteur étant agencé pour distinguer si la polarisation moyenne du flux de photons démultipliés est circulaire ou linéaire, et déterminer selon cette distinction si le premier photon a été mesuré ou non.
En variante, la paire de photons intriqués atteint les récepteurs avec une polarisation intriquée circulaire, l’état quantique d’absorption des photons étant une polarisation linéaire, le deuxième récepteur étant agencé pour distinguer si la polarisation moyenne du flux de photons démultipliés est circulaire ou linéaire, et déterminer selon cette distinction si le premier photon a été mesuré ou non.
En variante, la paire de photons intriqués atteint les récepteurs avec une polarisation linéaire verticale ou horizontale, l’état quantique mesuré au premier récepteur étant une polarisation linéaire à 45° ou -45° de la verticale ou de l’horizontale, le deuxième récepteur étant agencé pour distinguer si la polarisation linéaire moyenne du flux de photons démultipliés (P20) est à 45 ou -45°, ou bien la verticale ou l’horizontale, et déterminer selon cette distinction si le premier photon a été mesuré ou non.
Transmission d’information
Le système selon l’invention et le procédé de communication quantique décrit plus haut permet de transmettre entre le premier et le deuxième récepteur des informations soit de type binaire, sous forme de bits, soit des valeurs discrètes ou continues.
De préférence, plusieurs paires de photons intriqués sont générées successivement par l’émetteur, chaque paire de photons permettant la transmission d’une information, par exemple de type binaire, du premier récepteur au deuxième récepteur.
On peut par exemple choisir d’absorber le premier photon au premier récepteur pour transmettre un bit 1 et de le réfléchir pour transmettre un bit 0. La mesure au second récepteur de l’état quantique moyen du flux de photons démultipliés permet alors de déterminer si un bit 1 ou un bit 0 est transmis depuis le premier récepteur de manière quasi-instantanée.
Plusieurs procédés peuvent être mis en place afin de sécuriser la communication et éviter des erreurs de transmission, dues par exemples à des doubles paires de photons émises simultanément.
Par exemple, durant des intervalles de temps préalablement établis grâce aux horloges décrites plus haut, seul le premier photon atteignant un récepteur est de préférence considéré, les photons suivants étant ignorés.
Comme décrit plus haut, les photons peuvent être comptés lorsqu’ils arrivent à un détecteur de polarisation. Si le comptage révèle l’arrivée de plus d’un photon durant un intervalle de temps prédéfini, le bit n’est pas transmis durant cet intervalle, et est par exemple transmis dans l’intervalle de temps suivant, ou , de préférence le même bit est retransmis à nouveau.
Au deuxième récepteur, le comptage des photons arrivant dans l’intervalle de temps où ils sont attendus peut avantageusement permettre de créer une liste temporaire de bits non reçus.
Communication bidirectionnelle
Pour permettre une communication bidirectionnelle, c’est-à-dire pour permettre à chacun des deux récepteurs de transmettre des informations à l’autre récepteur, on peut utiliser plusieurs émetteurs.
Le système selon l’invention peut notamment comporter un deuxième émetteur pouvant générer une ou plusieurs paires de photons intriqués, le deuxième émetteur étant situé plus proche du deuxième récepteur que du premier récepteur.
En variante, on peut faire parcourir un chemin indirect à au moins une partie des photons de manière à en rallonger le temps de transport vers l’un des récepteurs, par exemple en faisant se réfléchir les photons sur un ou des miroirs intermédiaires, ou les faisant traverser des milieux d’indice de réfraction élevés, ou encore en les transportant dans des fibres optiques de longueur variées.
Ce parcours allongé peut par exemple alterner à cadence fixe ou variable en fonction de des besoins, avec le parcours non allongé de façon à pouvoir utiliser les photons intriqués parfois pour transmettre l’information d’un point à un autre, parfois dans l’autre sens. Des commutateurs optiques en amont des récepteurs et synchronisés avec le commutateur apposé à l’émetteur pouvant envoyer les photons sur un chemin rallongé, peuvent être installés pour envoyer lesdits photons vers des récepteurs de type premier récepteur tel que décrit plus haut, ou au contraire de type second récepteur.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
représente de manière partielle et schématique un système de communication quantique selon l’invention,
représente de manière partielle et schématique un autre système de communication quantique selon l’invention,
représente de manière partielle et schématique un photon polarisé linéairement,
représente de manière partielle et schématique un photon polarisé circulairement,
la représente de manière schématique des détails de transmission des photons de l’émetteur aux récepteurs,
représente de manière partielle et schématique un exemple de sélecteur optique selon l’invention,
représente de manière partielle et schématique une variante du sélecteur de la ,
représente de manière partielle et schématique un autre exemple de sélecteur optique selon l’invention,
la et la représentent de manière schématique un exemple de modificateur de direction de polarisation comportant des lames quart d’onde,
la représente de manière schématique un autre exemple de modificateur de direction de polarisation comportant un matériau chiral,
la représente de manière schématique un exemple de modificateur de phase de polarisation,
représente de manière partielle et schématique un exemple d’instrument d’absorption d’un photon polarisé linéairement,
représente de manière partielle et schématique un autre exemple d’instrument d’absorption d’un photon polarisé linéairement,
représente de manière partielle et schématique un exemple de récepteur du deuxième photon comportant un amplificateur à fibres dopées,
représente de manière partielle et schématique un exemple d’instrument de mesure du deuxième récepteur comportant une succession de lames semi-réfléchissantes,
représente de manière partielle et schématique un exemple d’interféromètre de Young utilisé pour l’instrument de mesure du deuxième récepteur,
est un schéma en blocs illustrant de manière partielle un exemple de fonctionnement d’un système de communication quantique pour transmettre un bit 0,
est un schéma en blocs illustrant de manière partielle un exemple de fonctionnement d’un système de communication quantique pour transmettre un bit 1,
est un schéma en blocs illustrant de manière partielle un exemple de fonctionnement d’un système de communication quantique pour transmettre une série de valeurs discrètes,
est un schéma en blocs illustrant de manière partielle un exemple de procédé d’horodatage de l’arrivée d’un photon dans un récepteur,
illustre de manière partielle et schématique la possibilité de placer un dispositif « anti-bruit » devant l’amplificateur, et
représente de manière partielle et schématique la possibilité d’utiliser le système selon l’invention pour établir une communication bidirectionnelle entre deux endroits.

Claims (22)

  1. Système de communication quantique (1) comportant :
    • Un émetteur (2) de photons intriqués comportant une source configurée pour générer au moins une paire de photons intriqués comportant un premier photon (P1) émis sur un premier chemin de propagation (D1), et simultanément un deuxième photon (P2) émis sur un deuxième chemin de propagation (D2) différent du premier chemin de propagation ;
    • Un premier récepteur (3) disposé sur le premier chemin de propagation (D1) comportant un absorbeur complexe (31) configuré pour absorber le photon dans un état de polarisation choisi parmi les états d’au moins deux paires différentes d’états de polarisation complémentaires, à l’exception d’exactement deux paires de polarisations linéaires perpendiculaires dont les polarisations de l’une des paires sont à 45° des directions de polarisation de l’autre paire ;
    • Un deuxième récepteur (4) disposé sur le deuxième chemin de propagation (D2) de façon à être atteint par le deuxième photon (P2) après que le premier photon (P1) ait atteint le premier récepteur (3), ledit deuxième récepteur (4) comportant :
    • un amplificateur optique (40) permettant de démultiplier le deuxième photon (P2) en conservant sa polarisation et,
    • disposé en aval de l’amplificateur, un instrument de mesure (45) permettant de mesurer la polarisation moyenne des photons démultipliés (P20).
  2. Système selon la revendication 1, l’absorbeur complexe (31) étant configuré pour absorber le photon dans un état de polarisation prédéterminé choisi parmi les états d’au moins trois paires de polarisations complémentaires différentes.
  3. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’absorbeur complexe (31) comportant :
    • au moins un instrument (35) permettant d’absorber le photon dans l’un ou l’autre de deux états de polarisations complémentaires,
    • un modificateur de polarisation (32) disposé en amont dudit instrument (35) et configuré pour transformer la polarisation du premier photon (P1) vers la polarisation choisie selon laquelle ledit instrument (35) absorbe les photons.
  4. Système selon la revendication précédente, le modificateur de polarisation (32) comportant un modificateur de direction de polarisation (32a) disposé en amont d’un modificateur de phase de polarisation (32b).
  5. Système selon la revendication précédente, le modificateur de direction de polarisation (32a) comportant deux lames quart d’onde (310) disposées l’une après l’autre sur le chemin de propagation du premier photon (P1), l’orientation de l’une au moins des deux lames étant variable.
  6. Système selon la revendication 4, le modificateur de direction de polarisation (32a) comportant une lame ou un prisme en matériau chiral ou rotatif (316) affectant la rotation de la polarisation d’un angle dépendant de l’endroit par lequel l’onde pénètre dans ledit matériau chiral ou rotatif, le matériau étant notamment disposé entre deux cellules de Pockels.
  7. Système selon la revendication 4, le modificateur de phase (32b) de polarisation comportant une première lame ou prisme biréfringent partageant le faisceau en deux ondes électromagnétiques de polarisation linéaire, l’une selon un premier axe, l’autre selon un second axe, et une lame à retard d’indice de réfraction variable disposée sur le second axe.
  8. Système selon la revendication 3, ledit au moins un instrument (35) comportant au moins un filtre (350 ; 360) permettant d’envoyer le premier photon vers au moins un détecteur de photons (355), notamment vers l’un ou l’autre de deux détecteurs de photons (355) selon l’état de polarisation du premier photon, le filtre étant de préférence un prisme ou une lame en matériau biréfringent.
  9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’instrument de mesure (45) du deuxième récepteur (4) comportant au moins un détecteur de photons (455), agencé pour mesurer la polarisation de la lumière (P20) issue de la démultiplication du deuxième photon (P2).
  10. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’instrument de mesure (45) du deuxième récepteur (4) comportant une succession de lames semi-réfléchissantes disposées en aval de l’amplificateur optique (40), lesdites lames dirigeant le flux de photons démultipliés (P20) avec une égale intensité vers des instruments de mesure de polarisation agencés pour mesurer l’intensité du flux (P20) selon deux axes perpendiculaires et le déphasage de la lumière entre ces deux mêmes axes.
  11. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’amplificateur optique (40) étant amplificateur à fibre dopée.
  12. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’émetteur (2) étant configuré pour générer successivement une pluralité de paires de photons intriqués.
  13. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’émetteur (2) et chacun des récepteurs (3 ;4) comportant une horloge, les horloges de l’émetteur et des récepteurs étant synchronisées entre elles.
  14. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le deuxième récepteur (4) comportant un commutateur (50) disposé devant l’amplificateur optique (40), configuré pour absorber ou réfléchir le ou les photons subséquents à un premier photon atteignant ledit second récepteur dans un intervalle de temps prédéterminé.
  15. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un deuxième émetteur (22) pouvant générer une ou plusieurs paires de photons intriqués, le deuxième émetteur étant situé plus proche du deuxième récepteur (92) que du premier récepteur (91).
  16. Procédé de communication quantique utilisant le système de l’une quelconque des revendications 1 à 15, comportant les étapes consistant à :
    • Générer une paire de photons intriqués à partir d’un émetteur (2), le premier photon (P1) de la paire étant émis vers un premier récepteur (3) et le deuxième photon (P2) de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur (4), les premier et deuxième photons étant intriqués, le deuxième récepteur (4) étant situé sur le chemin de propagation (D2) du deuxième photon (P2) plus loin de l’émetteur (2) que le premier récepteur (3), de telle sorte qu’il y arrive après,
    • Modifier, grâce à un modificateur de polarisation (32), l’état de polarisation du premier photon (P1) lorsqu’il atteint le premier récepteur (3) en un état de polarisation dépendant de l’information à transmettre, l’état étant choisi parmi au moins deux paires différentes de polarisations d’absorption complémentaires, à l’exception d’exactement deux paires de polarisations linéaires perpendiculaires dont les directions de polarisation de l’une des paires sont à 45° des directions de polarisation de l’autre paire,
    • Absorber, grâce à un instrument d’absorption (35), le premier photon (P1) dans l’une des deux polarisations complémentaires de la paire choisie,
    • Au second récepteur (4), dupliquer le deuxième photon (P2) en un flux de photons démultipliés (P20) grâce à un dispositif d’amplification (40), la lumière ainsi créée (P20) ayant conservé l’état de polarisation du deuxième photon (P2),
    • Mesurer l’état de polarisation moyen du flux de lumière (P20) et déterminer selon cette mesure l’état de polarisation du premier photon (P1), afin d’en déduire l’information transmise par le premier récepteur (3).
  17. Procédé selon la revendication précédente, la paire de polarisations d’absorption étant choisie parmi au moins trois paires différentes de polarisations d’absorption.
  18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, la paire de polarisation d’absorption étant choisie parmi au moins 210 paires distinctes de polarisations d’absorption, notamment parmi des polarisations espacées de 9° dans leur direction de polarisation et déphasées de 9°.
  19. Procédé selon l’une quelconque des revendications 16 à 18, plusieurs paires de photons intriqués étant générées successivement par l’émetteur (2), chaque paire de photons permettant la transmission d’une information du premier récepteur (3) au deuxième récepteur (4).
  20. Procédé d’étalonnage d’un système tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 15 permettant de déterminer l’état de polarisation d’un photon atteignant le deuxième récepteur en fonction de l’état de polarisation dans lequel son photon intriqué a été absorbé au premier récepteur, procédé comportant les étapes consistant à :
    • Générer des paires de photons intriqués à partir d’un émetteur (2), le premier photon (P1) de la paire étant émis vers un premier récepteur (3) et le deuxième photon (P2) de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur (4), les premiers et deuxièmes photons étant intriqués selon leur état de polarisation,
    • Absorber les premiers photons au premier récepteur dans une paire de polarisations prédéterminée, mémoriser dans laquelle des deux polarisations possibles chaque photon a été absorbé et stopper l’envoi de photons par l’émetteur dès qu’un nombre prédéterminé de chacune des polarisations différentes ont été observées,
    • Au second récepteur (4), dupliquer les deuxièmes photons (P2) en des flux de photons démultipliés (P20) grâce à un dispositif d’amplification (40), chaque photon démultiplié (P20) ayant conservé l’état de polarisation du deuxième photon (P2),
    • Mesurer les états de polarisation, c’est-à-dire les directions de polarisation et déphasages de chaque flux de photons démultipliés, et mémoriser ces mesures ainsi que leurs heures de réception,
    • Transmettre la liste des polarisations et heures de réceptions des photons mémorisées du premier récepteur au second récepteur,
    • Supprimer de la liste des photons reçus au second récepteur les photons ne correspondant pas à des photons reçus au premier récepteur et, de même, supprimer de la liste des photons reçus au premier détecteur les photons dont le photon correspondant n’a pas été reçu au second récepteur, et
    • Calculer à l’aide d’une part : de la connaissance de l’état de polarisation de deux photons détectés dans des polarisation complémentaires au premier récepteur et dont les photons intriqués ont atteint le second récepteur, et d’autre part de la connaissance de l’état de polarisation des photons intriqués correspondant reçus au second récepteur, la matrice de Jones permettant de déduire de la polarisation des photons reçus au premier récepteur la polarisation des photons reçus au second récepteur.
  21. Procédé d’étalonnage d’un système tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 15, permettant de déterminer la probabilité de perdre un photon (P1) lors de son transit de l’émetteur au premier récepteur consistant à :
    • Configurer l’absorbeur complexe (31) du premier récepteur pour absorber les photons reçus au premier récepteur (3) dans l’une de deux polarisations complémentaires d’une paire de polarisation absorption,
    • Générer successivement plusieurs paires de photons intriqués à partir d’un émetteur (2), le premier photon (P1) de la paire étant émis vers un premier récepteur (3) et le deuxième photon (P2) de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur (4), les premier et deuxième photons étant intriqués selon leur état de polarisation, et
    • Compter le nombre de photons reçus au second récepteur dans chacune des gammes de polarisations détectables par le second récepteur autres que l’une des deux gammes de polarisations des photons intriqués des photons absorbés par le premier détecteur.
  22. Procédé d’étalonnage d’un système tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 15, permettant de déterminer deux matrices de Jones dont l’une d’elles permet de calculer la polarisation d’un photon arrivant au second récepteur en fonction de la polarisation d’un photon absorbé au premier récepteur, dans lequel, de préférence, la quantité de polarisations différentes observables au second récepteur est supérieur au double de l’inverse du taux de transmission de photons entre l’émetteurs et le premier récepteur, le procédé consistant à :
    • Configurer l’absorbeur complexe du premier récepteur pour absorber les photons reçus au premier récepteur dans l’une de deux polarisations complémentaires d’une paire de polarisation absorption,
    • Générer successivement plusieurs paires de photons intriqués à partir d’un émetteur (2), le premier photon (P1) de la paire étant émis vers un premier récepteur (3) et le deuxième photon (P2) de la paire étant émis simultanément vers un deuxième récepteur (4), les premier et deuxième photon étant intriqués selon leur état de polarisation,
    • Compter pour chaque polarisation dans laquelle un photon est reçu au second récepteur le nombre de photons ayant atteint ledit deuxième récepteur avec cette même polarisation,
    • Arrêter d’envoyer des photons quand un nombre prédéterminé de photons est reçu au second récepteur,
    • Déterminer les deux polarisations dans lesquelles les photons ont été reçus le plus au second récepteur, ces polarisations étant considérées comme les polarisations correspondant aux polarisation d’abortion des photons au premier récepteur,
    • Calculer les deux matrices de Jones possibles de transformation des polarisations permettant de déduire de la polarisation d’un photon reçu au premier récepteur, la polarisation d’un photon reçu au second récepteur.
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