Researchers at the Institute for Quantum Computing are leading Canada’s first quantum satellite to protect tomorrow’s data
In our increasingly digital and interconnected world, graduate students like Kimia Mohammadi constantly innovate to stay ahead of emerging security risks. She is part of a national team creating Canada’s first quantum satellite, currently scheduled for launch in 2025. The Quantum EncrYption and Science Satellite (QEYSSat) mission will be a demonstration of secure ground-to-space quantum communication.
“QEYSSat is a huge milestone for Canadian technology,” says Mohammadi, a PhD student in the University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, and the Institute for Quantum Computing (IQC). “It’s so satisfying to see my research play a role in the future of communication.”
Leading QEYSSat’s national science team is Mohammadi’s graduate supervisor, Dr. Thomas Jennewein, a professor in Waterloo’s Department of Physics and Astronomy and a faculty member at IQC. Jennewein’s research aims to create a global quantum internet, developing the technologies to realize secure satellite-based quantum communications. His research also sheds light on fundamental questions in quantum physics as he explores quantum entanglement over large distances and speeds.
Learn more about Kimia Mohammadi and the QEYSSat project in the feature Launching the future of secure communication within the University of Waterloo's 2024 Global Futures report.
Le lancement de l’avenir de la communication sécurisée
Des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique sont à la tête du premier satellite quantique canadien pour protéger les données de demain
Dans notre monde de plus en plus numérique et interconnecté, des étudiants au cycle supérieur comme Kimia Mohammadi innovent constamment pour anticiper les risques émergents pour la sécurité. Elle fait partie de l’équipe nationale travaillant à la création du premier satellite quantique canadien, dont le lancement est prévu pour 2025. La mission du Satellite de cryptographie et physique quantiques (QEYSSat) sera d’établir une communication quantique sécurisée entre la Terre et l’espace.
« Le QEYSSat est un jalon important pour la technologie canadienne », note Kimia Mohammadi, étudiante au doctorat au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo et à l’Institut d’informatique quantique (IQC). « Je trouve si satisfaisant de voir que ma recherche contribue à l’avenir de la communication. »
À la barre de l’équipe scientifique nationale du QEYSSat se trouve Thomas Jennewein, directeur de recherche de Kimia Mohammadi, professeur au Département de physique et d’astronomie de Waterloo et membre du corps professoral de l’IQC. Par sa propre recherche, Thomas Jennewein vise à créer un Internet quantique mondial et à inventer les technologies nécessaires aux communications quantiques sécurisées basées sur satellite. Ses travaux mettent aussi en lumière les questions fondamentales de la physique quantique, à mesure qu’il explore l’intrication quantique sur de longues distances et à des vitesses élevées.
La clé du cryptage quantique
Thomas Jennewein, Kimia Mohammadi et l’équipe du QEYSSat utilisent une technique appelée la « distribution quantique de clés » pour générer les clés cryptées transmises entre le satellite et les chercheurs sur Terre. Ces clés de chiffrement tirent parti d’une propriété de la mécanique quantique, selon laquelle on ne peut observer un état quantique sans le changer. En d’autres mots, si l’on observe ou l’on copie la clé quantique secrète, on y laisse une trace détectable, donc les chercheurs savent que la clé a été compromise et n’est plus sécurisée.
« Les signaux quantiques sont sûrs parce qu’ils ne peuvent pas être copiés. Toutefois, ils sont par le fait même difficiles à transmettre par des câbles à fibres optiques sur de longues distances, contrairement aux signaux classiques qui comptent sur la répétition et l’amplification du signal, explique Thomas Jennewein. Donc, pour réussir à transmettre un signal de DQC sur de longues distances, il faut utiliser des méthodes comme les satellites, qui ne dépendent pas de la répétition du signal. »
Grâce à la science affluant à l’IQC, le point d’ancrage de l’écosystème quantique au Canada, le QEYSSat communiquera avec les stations de recherche terrestres à l’Université de Waterloo et à l’Agence spatiale canadienne, qui se situe à Saint-Hubert, au Québec. Ces stations terrestres émettront des signaux quantiques grâce aux photons de lumière et les enverront au satellite. De tels satellites quantiques pourraient ensuite servir de relais de confiance pour transmettre les signaux entre les stations terrestres.
Un net avantage de cette configuration : comme les photons vont de la Terre au satellite, les équipes de recherche auront l’avantage de la flexibilité pour changer la source des photons ou mettre à jour l’appareil à mesure que d’autres technologies voient le jour.
Kimia Mohammadi œuvre présentement pour que la station terrestre de Waterloo puisse localiser le satellite et communiquer avec ce dernier grâce à un télescope émetteur-récepteur qu’elle a construit dans le cadre de sa maîtrise et qui se situe sur le toit du bâtiment du Centre d’avancement de la recherche, dans le nord du parc de recherche et de technologie de Waterloo.
« Pas grand monde aimerait ça, se rendre au télescope à 2 heures du matin pour en aligner l’optique en fonction des étoiles ou suivre des objets comme la Station spatiale internationale, mais pour moi, c’est fascinant de faire chaque petit pas afin d’en arriver à une station terrestre pleinement fonctionnelle lorsque le satellite sera lancé. Thomas m’a donné la possibilité d’imaginer et de construire notre propre télescope, qui sera utilisé lors de nos prochaines expériences de communication spatiale libre. »
Les satellites canadiens pour la sécurité quantique
Le lancement d’un satellite comme le QEYSSat relève de plusieurs disciplines. Des experts en physique jettent les fondations scientifiques de la démarche de communication quantique; les ingénieurs construisent les composants du satellite et veillent à ce qu’il survive au lancement et aux conditions hostiles de l’espace; et les partenaires sectoriels, notamment l’Agence spatiale canadienne et Honeywell, guident le lancement et la fabrication du satellite.
Tournés vers l’avenir, Kimia Mohammadi et Thomas Jennewein ont aussi exploré des scénarios réalistes pour les futurs satellites et relevé les lacunes technologiques actuelles dans le projet QEYSSat 2.0 afin d’établir les technologies nécessaires à la mise en place d’un Internet quantique au Canada.
Bien que sa mission soit de démontrer la distribution quantique de clés et la communication sécurisée vers un satellite, le QEYSSat pave la voie du Canada vers l’avant-scène de la communication sécurisée à l’ère quantique. En tant que projet entièrement canadien, il est axé sur la création d’un avenir où la sécurité et la souveraineté nationales sont prioritaires.
« Les gouvernements de partout dans le monde, y compris du Canada, ont récemment annoncé des stratégies quantiques nationales, fait valoir Thomas Jennewein. Dès que les ordinateurs quantiques seront en ligne, nos méthodes actuelles de cryptage deviendront potentiellement vulnérables, et les dirigeants mondiaux reconnaissent l’importance de comprendre la nouvelle réalité quantique et de s’y préparer. »