Brevet FR3130408A1 — publié le 20230616

Un ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) comprend au moins une source (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ) de photons intriqués, des moyens de connexion optique et une optique d’émission (5). L’optique d’émission est commune à deux sorties optiques (2a, 2b) de chaque source de photons intriqués, et chacune des deux sorties optiques de la source est reliée par les moyens de connexion optique à un endroit d’une surface focale (6) de l’optique d’émission qui est distant de l’endroit auquel est reliée l’autre sortie optique de la même source. Ainsi, les deux photons d’une même paire de photons intriqués sont transmis en sortie par l’optique d’émission selon des directions d’émission (D7a, D7b) respectives qui sont différentes. Figure d’abrégé : Figure 2 ENSEMBLE D’EMISSION DE PHOTONS INTRIQUES EN CHAMP LIBRE La présente description concerne un ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre («free-space entangled photon emission assembly» en anglais). Elle concerne aussi un satellite de communication optique, notamment un satellite de distribution de clés quantiques, et un système de transmission de photons intriqués qui intègrent un tel ensemble d’émission. Les réseaux d’information quantique et la cryptographie quantique peuvent se baser sur l’émission de photons intriqués. Par ailleurs, l’émission de photons en champ libre permet des distances de transmission qui sont très grandes, par opposition à des photons qui sont transmis à l’intérieur de fibres optiques. En effet, les valeurs de perte de canal pour la transmission dans l’espace extraterrestre et à travers l’atmosphère, en dehors de conditions météorologiques défavorables, sont beaucoup plus faibles que celles relatives à des modes de transmission guidée. Pour cette raison, il est prévu d’utiliser des ensembles d’émission de photons intriqués qui sont embarqués à bord de satellites pour constituer des réseaux d’information quantique, et aussi pour mettre en œuvre de la cryptographie quantique. Dans ces applications, les deux photons d’une même paire de photons intriqués sont émis en direction de récepteurs qui sont séparés, selon des directions d’émission respectives qui sont différentes. Pour cela, il a été proposé d’utiliser deux optiques d’émission séparées pour transmettre les deux photons intriqués d’une même paire : l’un des deux photons intriqués étant transmis par l’une des deux optiques d’émission pointée vers l’un des deux récepteurs, et l’autre photon étant transmis par l’autre optique d’émission pointée vers l’autre récepteur. Une telle architecture d’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre est décrite par exemple dans EP 3 572 870 A1. Mais la disposition en parallèle de plusieurs optiques d’émission, telles que des télescopes, au sein de l’ensemble d’émission rend cet ensemble complexe, encombrant et lourd. Il est alors difficile à intégrer dans un satellite de communication optique. En outre, réduire la taille de chaque optique d’émission provoque des pertes de canal par diffraction, ce qui réduit l’efficacité de la transmission optique. Problème technique A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer une nouvelle architecture d’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre, qui réduit la complexité, l’encombrement et le poids du système. Un but annexe de l’invention est qu’une telle architecture procure des valeurs de perte de canal qui soient faibles. Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre, qui comprend : - au moins une source de photons intriqués, qui possède au moins deux sorties optiques et est adaptée pour produire des paires de photons intriqués, en transmettant un seul photon de chaque paire de photons intriqués par chaque sortie optique de la source, et - des moyens de connexion optique qui sont reliés aux deux sorties optiques de chaque source de photons intriqués. Selon l’invention, l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre comprend au moins une optique d’émission, qui est adaptée pour transmettre en sortie des photons reçus dans une surface focale de cette optique d’émission. L’optique d’émission est commune aux deux sorties optiques de la source de photons intriqués, chacune de ces deux sorties optiques de la source de photons intriqués étant reliée par les moyens de connexion optique à un endroit de la surface focale qui est distant de l’endroit auquel est reliée l’autre sortie optique de la même source de photons intriqués. Ainsi, les deux photons d’une même paire de photons intriqués sont transmis en sortie par l’optique d’émission selon des directions d’émission respectives qui sont différentes. Un ensemble d’émission qui est conforme à l’invention peut être adapté pour que la direction d’émission de chaque photon soit déterminée par réglage d’un positionnement individuel de l’endroit dans la surface focale de l’optique d’émission où ce photon est délivré. En particulier, les moyens de connexion optique peuvent comprendre au moins un actionneur de réglage des positionnements individuels des endroits dans la surface focale où les photons sont délivrés. Un tel actionneur est adapté pour produire des déplacements parallèles à la surface focale, de l’endroit auquel est délivré chaque photon, en fonction d’au moins une commande de déplacement qui est reçue par l’actionneur. Dans des modes de réalisation possibles de l’invention, chaque actionneur peut être de type piézoélectrique. Dans d’autres modes de réalisation aussi possibles, chaque actionneur peut comporter au moins un miroir mobile, par exemple tel que désigné par l’acronyme FSM pour «Fast Steering Mirror» en anglais ou miroir orientable rapide. Dans ce dernier cas, l’actionneur peut constituer ou faire partie d’un système de pointage fin qui est dédié au réglage de la position dans la surface focale où l’un des photons est délivré. En combinaison avec le réglage du positionnement individuel de l’endroit où chaque photon est délivré dans la surface focale de l’optique d’émission, sa direction d’émission peut être déterminée en outre par un pointage de l’optique d’émission. Un tel pointage peut être réglable, et/ou activé pour compenser des vibrations qui sont subies par l’ensemble d’émission. De façon générale pour l’invention, des volumes de répartition respectifs des deux photons de chaque paire de photons intriqués à l’intérieur de l’optique d’émission peuvent être au moins partiellement superposés. Autrement dit, l’optique d’émission est au moins en partie constituée de composants optiques qui sont communs aux deux photons de chaque paire de photons intriqués. Aussi de façon générale pour l’invention, l’optique d’émission peut être constituée par un télescope unique. Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, les moyens de connexion optique peuvent comprendre des segments de fibre optique. En effet, pour connecter optiquement chaque source de photons intriqués aux endroits de la surface focale de l’optique d’émission, les technologies à fibres optiques présentent l’avantage d’être légères et de nécessiter peu ou presqu’aucune opération d’alignement optique. Pour de tels modes de réalisation à fibre optique, chacun des segments de fibre optique qui est relié à un des endroits de la surface focale de l’optique d’émission, peut être muni en sortie d’un système optique divergent. Ce système optique divergent est adapté pour que du rayonnement qui sort par le segment de fibre optique en direction de l’optique d’émission possède une structure d’onde divergente avec un centre de divergence qui est situé sur la surface focale. De cette façon, le rayonnement qui est transmis par l’optique d’émission possède, à la sortie de celle-ci, une structure de faisceau collimaté. Encore de façon générale pour l’invention, la surface focale de l’optique d’émission peut posséder une courbure, par exemple du fait de l’aberration optique qui est couramment appelée courbure de champ. Alors, les endroits de cette surface focale auxquels sont reliées les sorties optiques de chaque source de photons intriqués par les moyens de connexions optiques, peuvent avantageusement être décalés entre eux conformément à cette courbure, en projection sur un axe optique de l’optique d’émission. Encore de façon générale pour l’invention, l’ensemble d’émission peut comprendre plusieurs sources de photons intriqués qui sont reliées à différents endroits de la surface focale de l’optique d’émission par les moyens de connexion optique. Dans ce cas, l’optique d’émission est commune à cette pluralité de sources de photons intriqués. Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, les moyens de connexion optique peuvent comprendre un commutateur optique matriciel, celui-ci comprenant plusieurs ports optiques d’entrée, plusieurs ports optiques de sortie et au moins une entrée d’adressage, et étant adapté pour transmettre à l’un de ses ports optiques de sortie un photon qui est reçu par l’un de ses ports optiques d’entrée en fonction d’une consigne d’adressage reçue sur l’entrée d’adressage. Dans ce cas, pour chaque source de photons intriqués, ses deux sorties optiques sont reliées à des ports optiques d’entrée distincts du commutateur optique matriciel. Un deuxième aspect de l’invention propose un satellite de communication optique qui comprend : - un système de contrôle d’attitude et d’orbite ; - un ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre qui est conforme au premier aspect de l’invention ; et - un contrôleur de mission, qui est connecté au système de contrôle d’attitude et d’orbite et à au moins une entrée de contrôle de l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre. Le contrôleur de mission est alors adapté pour déclencher des émissions de paires de photons intriqués, avec les deux photons de chaque paire qui sont transmis par l’optique d’émission commune à ces deux photons, selon des directions d’émission respectives qui sont différentes. Lorsque les moyens de connexion optique comprennent un commutateur optique matriciel et/ou lorsque chaque endroit dans la surface focale de l’optique d’émission auquel un photon est délivré est réglable par un actionneur, l’entrée de contrôle de l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre comprend l’entrée d’adressage du commutateur optique matriciel et/ou au moins une entrée de commande de déplacement de l’actionneur. Dans ce cas, l’adressage du commutateur optique matriciel et/ou la commande de l’actionneur peut (peuvent) être effectué(s) par l’intermédiaire du contrôleur de mission. Enfin, un troisième aspect de l’invention propose un système de transmission de photons intriqués, qui comprend un satellite conforme au deuxième aspect de l’invention et au moins deux stations de réception adaptées pour être en communication avec ce satellite. Les stations de réception peuvent être, notamment, situées à la surface de la Terre, telles que couramment désignées par stations-sol. Un premier avantage de l’invention est la structure simplifiée de l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre. Il en résulte d’une part un gain de coût de fabrication, et d’autre part une facilité de mise en œuvre. Un autre avantage de l’invention est un encombrement et un poids de l’ensemble d’émission qui sont réduits. Encore un autre avantage de l’invention est la facilité avec laquelle peut être augmenté le nombre d’émissions qui sont effectuées simultanément vers des paires différentes de récepteurs, notamment des paires de stations de réception au sol situées sur Terre. Encore un autre avantage de l’invention est que, l’optique d’émission étant commune aux photons émis, sa taille peut être plus grande que les tailles individuelles d’optiques d’émission qui sont multiples. Grâce au diamètre de pupille plus grand qui est possible ainsi, la contribution de la diffraction aux pertes de canal peut être diminuée. Les valeurs de pertes de canal peuvent alors être réduites. Encore un autre avantage de l’invention réside dans le fait que l’ensemble d’émission peut être adapté facilement pour tenir compte d’aberrations optiques de l’optique d’émission, telles qu’une courbure de champ ou des distorsions d’image. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : montre un système de transmission de photons intriqués qui est conforme à l’invention ; illustre un ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre qui est conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour un deuxième mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour un troisième mode de réalisation de l’invention ; correspond à pour un quatrième mode de réalisation de l’invention ; et correspond à pour un perfectionnement de l’invention. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1), comprenant : - au moins une source de photons intriqués (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ), ladite source possédant au moins deux sorties optiques (2a, 2b) et étant adaptée pour produire des paires de photons intriqués, en transmettant un seul photon de chaque paire de photons intriqués par chaque sortie optique de ladite source, et - des moyens de connexion optique qui sont reliés aux deux sorties optiques de chaque source de photons intriqués (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ), l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins une optique d’émission (5), qui est adaptée pour transmettre en sortie des photons reçus dans une surface focale (6) de ladite optique d’émission, ladite optique d’émission (5) étant commune aux deux sorties optiques (2a, 2b) de la source de photons intriqués (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ), chacune desdites deux sorties optiques de ladite source de photons intriqués étant reliée par les moyens de connexion optique à un endroit de la surface focale (6) qui est distant de l’endroit auquel est reliée l’autre sortie optique de la même source de photons intriqués, de sorte que les deux photons d’une même paire de photons intriqués soient transmis en sortie par l’optique d’émission selon des directions d’émission (D7a, D7b) respectives qui sont différentes. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction d’émission (D7a, D7b) de chaque photon est déterminée par réglage d’un positionnement individuel de l’endroit dans la surface focale (6) de l’optique d’émission (5) où ledit photon est délivré. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de connexion optique comprennent au moins un actionneur (4a, 4b) de réglage des positionnements individuels des endroits dans la surface focale (6) où les photons sont délivrés, en étant adapté pour produire des déplacements parallèles à ladite surface focale en fonction d’au moins une commande de déplacement reçue par ledit actionneur. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’actionneur (4a, 4b) est de type piézoélectrique. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la direction d’émission (D7a, D7b) de chaque photon est également déterminée par un pointage de l’optique d’émission (5). Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des volumes de répartition respectifs des deux photons de chaque paire de photons intriqués à l’intérieur de l’optique d’émission (5) sont au moins partiellement superposés. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un télescope unique qui constitue l’optique d’émission (5). Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de connexion optique comprennent des segments de fibre optique (3a, 3b). Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon la revendication 8, dans lequel chacun des segments de fibre optique qui est relié à un des endroits de la surface focale (6) de l’optique d’émission (5), est muni en sortie d’un système optique divergent, de sorte que du rayonnement qui sort par ledit segment de fibre optique en direction de l’optique d’émission, ait une structure d’onde divergente avec un centre de divergence qui est situé sur ladite surface focale. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface focale (6) de l’optique d’émission (5) possède une courbure, et dans lequel les endroits de ladite surface focale auxquels sont reliés les sorties optiques (2a, 2b) de chaque source de photons intriqués (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ) par les moyens de connexions optiques, sont décalés entre eux conformément à cette courbure, en projection sur un axe optique (A-A) de l’optique d’émission. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’optique d’émission (5) est commune à plusieurs sources de photons intriqués (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ) qui sont reliées à différents endroits de la surface focale (6) de ladite optique d’émission par les moyens de connexion optique. Ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de connexion optique comprennent un commutateur optique matriciel (10), ledit commutateur optique matriciel comprenant plusieurs ports optiques d’entrée (11a, 11b, 11c), plusieurs ports optiques de sortie (12a, 12b, 12c) et au moins une entrée d’adressage (15), et étant adapté pour transmettre à l’un desdits ports optiques de sortie un photon qui est reçu par l’un desdits ports optiques d’entrée en fonction d’une consigne d’adressage reçue sur l’entrée d’adressage, et dans lequel pour chaque source de photons intriqués (EPS 1 , EPS 2 ,…, EPS N ), les deux sorties (2a, 2b) de ladite source sont reliées à des ports optiques d’entrée distincts du commutateur optique matriciel (10). Satellite (20) de communication optique, comprenant : - un système de contrôle d’attitude et d’orbite (21) ; - un ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes ; et - un contrôleur de mission (22), qui est connecté au système de contrôle d’attitude et d’orbite (21) et à au moins une entrée de contrôle de l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1), ledit contrôleur de mission (22) étant adapté pour déclencher des émissions de paires de photons intriqués, avec les deux photons de chaque paire qui sont transmis par l’optique d’émission (5) commune auxdits deux photons, selon des directions d’émission (D7a, D7b) respectives qui sont différentes. Satellite (20) selon la revendication 13, dans lequel l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre (1) est selon la revendication 12 lorsqu’elle dépend de la revendication 3 ou 4, et dans lequel l’entrée de contrôle de l’ensemble d’émission de photons intriqués en champ libre comprend l’entrée d’adressage (15) du commutateur optique matriciel (10) et au moins une entrée de commande de déplacement de l’actionneur (4a, 4b). Système de transmission de photons intriqués (23) comprenant un satellite (20) selon la revendication 13 ou 14, et au moins deux stations de réception (24a, 24b) adaptées pour être en communication optique avec le satellite.