Dr. Thomas Jennewein, a faculty member at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, has his sights set high and wide — specifically on a quantum satellite orbiting high above the Earth to connect Canada and Europe via a secure quantum communication link.
HyperSpace, a recently started three-year collaboration between researchers and funding partners in Canada and Europe, including Jennewein’s team at Waterloo, are aiming to bring this dream to fruition. The goal of the collaboration is to demonstrate the feasibility of a transatlantic quantum satellite link capable of distributing photons entangled in multiple ways between quantum ground stations located in Canada and Europe. The teams will focus on research into integrated quantum photonics and optical space communications, including novel protocols and quantum link technologies.
“By the end of the HyperSpace project, we want to have the satellite mission architecture ready, in essence to present a ‘how to’ guide for an EU-Canada quantum satellite mission,” says Jennewein. “We want to identify the potential technological bottlenecks, so we know to prioritize these areas as we work to make this future satellite a reality.”
Conceptual diagram of a quantum satellite dual-downlink scenario for linking Canada and Europe, as well as related research areas that will be explored in the HyperSpace project. (HD: High-dimensional)
Entanglement distribution is a crucial component to building the future "quantum internet" which will be a secure global quantum communication network. The HyperSpace satellite is envisioned as a double link node with two independent telescopes onboard the satellite. This dual link allows for the distribution of entangled photons simultaneously between widely separated quantum ground stations. Logistically, for the HyperSpace satellite to be capable of a transatlantic link, it needs to have a high orbit, which means the photons are highly likely to be lost as they travel from space to the ground. To solve this problem, the HyperSpace research teams are investigating how to make these longer satellite links feasible, by sending photons that are entangled in multiple degrees of freedom (frequency, time, polarisation), since they are more robust against loss and subsequent errors.
To learn more about the HyperSpace project, including the contributions from Dr. Thomas Jennewein, read the full story on Waterloo News.
Relier le Canada et l’Europe au moyen de la communication quantique par satellite
Thomas Jennewein, professeur à l’Institut d’informatique quantique et au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, voit grand et vise haut – il rêve d’un satellite quantique qui orbitera loin au-dessus de la surface terrestre afin d’établir un lien de communication quantique sécurisé entre le Canada et l’Union européenne.
Pour réaliser ce rêve, le tout nouveau projet HyperSpace, une collaboration sur trois ans entre des chercheurs et des partenaires financiers du Canada et de l’Europe, dont l’équipe de l’Université de Waterloo du professeur Jennewein. L’objectif : démontrer la faisabilité d’un lien de communication quantique satellitaire transatlantique, qui serait capable de distribuer des photons intriqués de multiples façons entre des stations terrestres situées au Canada et en Europe. Les équipes mèneront des recherches sur la photonique quantique intégrée et les communications spatiales optiques, notamment les nouveaux protocoles et technologies de liaison quantique.
« Au terme du projet HyperSpace, nous voulons que l’architecture de mission satellite quantique soit prête, explique le professeur Jennewein. Essentiellement, nous comptons présenter un “mode d’emploi” pour une mission canado-européenne. Nous voulons cerner les éventuels obstacles technologiques, afin de leur accorder la priorité dans l’élaboration future de ce satellite. »
Diagramme conceptuel illustrant un satellite quantique à liaison descendante double qui relierait le Canada et l’Europe, et montrant les domaines de recherche à approfondir dans le projet HyperSpace.
La distribution d’intrication est une composante fondamentale de la conception de « l’Internet quantique », qui sera un réseau de communication quantique mondial sécurisé. On envisage que le satellite d’HyperSpace disposera d’un nœud à liaison double et de deux télescopes indépendants. Cette double liaison permettra la distribution des photons intriqués simultanément entre deux stations quantiques terrestres très distantes. Logiquement, pour que le satellite soit capable de relier les deux continents, il doit orbiter en haute altitude; or, il s’ensuit que les photons risquent fortement de se perdre en chemin vers le sol. Pour remédier au problème, les équipes de recherche d’HyperSpace tentent de réaliser cette longue liaison par l’envoi des photons intriqués sur de multiples degrés de liberté (fréquence, mode temporel, polarisation), ceux-ci étant plus difficiles à perdre et donc moins sujets à erreur.
Un des cas d’utilisation du satellite d’HyperSpace est la création d’un lien de chiffrement entre deux stations terrestres au moyen de la distribution quantique de clés (DQC). Reposant sur les principes de la mécanique quantique, la DQC est une méthode de communication cryptographique virtuellement inviolable par laquelle deux parties génèrent une « clé secrète » partagée qui leur sert ensuite à chiffrer et à déchiffrer des messages diffusés publiquement.
Thomas Jennewein et les membres du QPL, son laboratoire de photonique quantique, dirigent le travail de planification et d’élaboration du cahier des charges de la mission d’HyperSpace, en plus de fournir du soutien technique pour la mise à l’essai des nouvelles technologies. L’équipe du professeur est déjà versée dans les technologies satellitaires quantiques, ayant déjà fait une démonstration de la DQC vers un récepteur mobile en espace libre qui aura mené à la mission QEYSSat en chantier à l’Agence spatiale canadienne. Prévu pour un lancement en orbite basse en 2024-2025, le Quantum Encryption and Science Satellite viendra démontrer la faisabilité de la DQC par satellite entre deux stations quantiques terrestres, l’une à l’Université de Waterloo et l’autre à l’Agence spatiale canadienne à Saint-Hubert, au Québec. Le professeur Jennewein est le chercheur principal de l’équipe scientifique du QEYSSat.
« En tant qu’Autrichien faisant maintenant de la recherche au Canada, je rêve d’établir un lien de communication quantique entre le Canada et l’Europe. Une telle connexion serait un immense tremplin pour faire évoluer l’Internet câblé et bâtir le réseau d’Internet quantique. »
La collaboration HyperSpace est cofinancée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et l’Union européenne (par l’intermédiaire du programme Horizon Europe). Les projets du professeur Jennewein contribuent aux efforts canadiens pour bâtir une infrastructure de communication quantique et s’alignent étroitement sur les objectifs de la Stratégie quantique nationale. Les collaborateurs sont notamment : au Canada, l’Université de Waterloo, l’Université de Toronto et l’Institut national de la recherche scientifique; en Allemagne, l’Institut Fraunhofer d’optique appliquée et d’ingénierie de précision (IOF); en Italie, l’Université de Pavie et l’Université de Padoue; en France, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives CEA-Leti; et en Autriche, l’Université technique de Vienne.
Logo d’HyperSpace représentant, en bleu, un satellite reliant le Canada et l’Europe en un arc qui évoque le globe terrestre