Le raccourcissement de la fréquence (FSK) est l'une des techniques de modulation les plus anciennes et les plus durables dans les télécommunications, en codant les données numériques en changeant la fréquence de transmission entre des valeurs discrètes. Depuis des décennies, il a tout mis en évidence, de la télégraphie à basse vitesse à des systèmes sans fil robustes.

De la robustesse classique au potentiel quantique

Dans la communication classique, la force de FSK réside dans sa résistance au bruit inhérente. Parce que l'information est codée en fréquence plutôt qu'en amplitude, le système est moins vulnérable à la décroissance, aux interférences et aux distorsions non linéaires. Les implémentations simples – comme FSK binaire (BFSK) utilisant deux fréquences – ont des modems alimentés, des réseaux de téléappel et des liaisons de contrôle industrielles.

La communication quantique, par contre, exploite les lois de la mécanique quantique pour protéger l'information. L'élément fondamental est le qubit, un système quantique qui peut exister dans une superposition de deux états. Les qubits sont codés en utilisant différents degrés de liberté : polarisation, timebin, élan angulaire orbital et fréquence. Fréquence – la quantité même manipule – offre un pont naturel entre le matériel classique et les états quantiques.

Les technologies de communication quantiques et le cas du codage par fréquence

La technologie de communication quantique la plus mature est la distribution de clés quantiques (QKD), qui permet à deux parties de générer une clé cryptographique partagée dont le secret est garanti par la physique quantique. Le protocole BB84, par exemple, code souvent les qubits dans la polarisation des photons. Cependant, la polarisation peut être brouillée dans la fibre longue distance et est sensible à la flexion et à la biréfringence.

Au-delà de la DQC, les répéteurs quantiques — nécessaires pour étendre la portée au-delà de la limite de transmission directe de ~100 km (due à la perte de fibres) — et les réseaux quantiques pour l'informatique distribuée bénéficient également de l'encodage des fréquences. Des expériences récentes ont démontré que l'échange d'entanglements encodés par fréquence, une opération clé pour les répéteurs quantiques.

Les états de fréquence comme base de qubit

Dans un qubit codé en fréquence, deux fréquences optiques distinctes (p. ex. -0 et -1 ) représentent les états logiques de -0 et d'-1 . Une superposition cohérente peut être préparée à l'aide d'un modulateur qui applique un bandeau latéral radiofréquence à un laser à ondes continues. Le qubit peut alors être mesuré par des détecteurs de résolution de fréquence, tels que des grilles de guides d'ondes (AWG) ou des filtres thoneux, ou à l'aide d'interféromètres qui convertissent les différences de fréquence en différences d'intensité.

FSK dans la distribution quantitative des clés : protocoles et performance

L'intégration de FSK dans le QKD ne consiste pas seulement à réduire le nombre de photons. Plusieurs groupes de recherche ont proposé et validé expérimentalement des variantes encodées par fréquence de BB84, parfois appelées Frequency‐Domain QKD (FD‐QKD). Dans une implémentation, Alice prépare des impulsions faiblement cohérentes qui sont modulées au hasard à l'une des quatre fréquences — deux pour chaque base — semblables aux quatre états de polarisation du BB84. Bob démultiplexe le signal entrant en utilisant une paire de commutateurs sélectifs pour la longueur d'onde et détecte les photons avec des détecteurs nanofils monophotons supraconducteurs (SNSPD).

Une alternative intéressante est la QKD continuelle (CV-QKD), qui utilise les amplitudes quadratures d'un état cohérent plutôt que le comptage discret des photons. Ici, la modulation de fréquence (au sens classique) peut être appliquée pour coder les informations dans les bandes latérales d'un support optique. Les modes de bande latérale sont orthogonaux en fréquence, permettant le multiplexage en parallèle à OFDM. Cette approche, parfois appelée CV-QKD multiplexé de fréquence, a été montrée pour augmenter les taux de clés secrètes en utilisant simultanément plusieurs canaux de fréquence.

Les chercheurs de Toshiba Research Europe et de l'Université de Cambridge ont démontré un système QKD codé en fréquence sur 100 km de fibres standard, permettant des vitesses clés comparables à celles des systèmes basés sur la polarisation. Leur installation a utilisé des composants disponibles sur le marché : un réseau de détecteurs à photons unique avec démultiplexage de la division de la longueur d'onde et un laser à haute vitesse qui se retrouve dans la bande C. L'ouvrage, publié dans ]Optics Express], souligne la viabilité pratique du QKD basé sur FSK.

Avantages de FSK en matière de communication quantique pour la recherche en génie

Du point de vue technique, FSK offre plusieurs avantages distincts qui s'alignent sur les besoins des réseaux quantiques pratiques.

Sécurité accrue par l'incertitude relative à la fréquence et au temps

Le principe d'incertitude de Heisenberg s'applique à la fréquence et au temps : un photon à fréquence bien définie ne peut avoir une heure d'arrivée bien définie, et vice versa. Ce compromis fondamental peut être exploité pour déjouer les écoutes. Si un adversaire tente de mesurer la fréquence d'un photon, il perturbe son heure d'arrivée, qui peut être détecté par les parties légitimes. Inversement, s'il essaie de mesurer le temps d'arrivée, il perd des informations de fréquence.

Taux de données élevés par le multiplexage de la division de longueur d'onde dense

Les réseaux optiques modernes utilisent déjà le DWDM pour transmettre des centaines de canaux sur une seule fibre. Les signaux quantiques codés par FSK peuvent occuper un canal de longueur d'onde étroit, tandis que d'autres canaux transportent des données classiques. Cette coexistence -quantum-classique -- est essentielle pour déployer le QKD sur l'infrastructure existante. De plus, avec les qubits codés en fréquence, plusieurs canaux quantiques peuvent être multiplexés – chacun à une fréquence différente – multipliant le taux de clé secrète sans nécessiter plus de fibres.

Compatibilité avec la photonique intégrée

Les plateformes photoniques intégrées en silicium sont une pierre angulaire des futurs systèmes quantiques. Le codage de fréquence est particulièrement convivial pour ces puces car les résonateurs de micro-rings, les interféromètres Mach‐Zehnder et les grilles de guides d'ondes en réseau peuvent être fabriqués à l'échelle. Par exemple, une puce photonique en silicium peut générer des qubits encodés en fréquence à l'aide d'un modulateur électrooptique rapide et les démultiplier en utilisant un démux compact de longueur d'onde.

Défis dans la mise en œuvre de la FSK pour les systèmes quantiques

Malgré sa promesse, l'adaptation de FSK au régime quantique n'est pas sans obstacles techniques.

Maintenir la cohérence entre les États de fréquence

Toute instabilité, due au bruit de phase laser, aux vibrations acoustiques de fibres ou à la dérive de température, peut dégrader la fidélité qubit. Dans le FSK classique, la cohérence de la phase est moins critique parce que la détection n'est pas cohérente (détection de l'énergie). Dans le FSK quantique, en particulier pour les états de superposition, le récepteur doit souvent effectuer une détection cohérente, ce qui exige un verrouillage de phase serré entre l'émetteur et l'oscillateur local.

Une solution consiste à utiliser des états de fréquence séparés par une portée suffisamment grande pour être résolus par un démultiplexeur encore en phase-cohérent. Ceci est souvent obtenu en générant les deux fréquences du même laser par modulation électro-optique, en s'assurant qu'elles partagent une référence de phase commune. Les bandes latérales sont alors transmises, et le récepteur les bat contre un oscillateur local dérivé du même laser original. Cependant, pour des distances plus longues, la fourniture de la référence de phase ajoute des frais généraux.

Bruit environnemental et stabilité de la fréquence

Dans un système QKD codé en fréquence, cette dérive entraîne des erreurs de bits parce que les filtres du récepteur peuvent cibler la mauvaise fréquence. Des boucles de rétroaction actives, des boucles de verrouillage de fréquence, sont utilisées pour stabiliser le laser vers une cavité de référence ou une transition atomique. Pour les applications par satellite, les déplacements de Doppler du mouvement par satellite peuvent dépasser plusieurs gigahertz, nécessitant une compensation dynamique.

Limites du détecteur

Bien que les détecteurs nanofiltres supraconducteurs aient une excellente résolution de temps et un faible bruit, ils ont généralement une efficacité de détection à photons simples qui est plate sur une large bande mais ne peut pas distinguer la couleur. Pour atteindre la discrimination en longueur d'onde, il faut utiliser un ensemble de détecteurs, chacun avec un filtre différent – ou utiliser un élément dispersif tel qu'un grille de diffraction – dans un réseau de détecteurs. Cela ajoute de la complexité et réduit l'efficacité globale du système en raison de pertes de fractionnement.

Orientations futures de FSK dans la communication quantique

La recherche en génie sur la communication quantique basée sur FSK s'accélère, avec plusieurs pistes prometteuses à l'horizon.

Encodage hybride: Combiner la fréquence avec la phase ou le temps

Pour augmenter la capacité d'information par photon, les chercheurs explorent l'hyper-entanglement ou l'encodage hybride, en utilisant simultanément plusieurs degrés de liberté. Par exemple, un qubit pourrait être codé en fréquence (FSK) tandis qu'un degré auxiliaire de liberté (p. ex., la boîte de temps ou la polarisation) comporte un bit supplémentaire. Ceci est analogue à la modulation d'ordre supérieur dans les communications classiques (p. ex., QAM). Dans les systèmes quantiques, de tels schémas hybrides peuvent augmenter le taux de clé sans exiger un flux de photon plus élevé, ce qui augmenterait les émissions multiphotons et la vulnérabilité aux attaques de partage de photon‐nombre.

Comb de fréquence QKD

Des peignes optiques de fréquence, qui produisent un spectre de lignes de phase cohérentes également espacées, offrent une source naturelle pour les qubits codés en fréquence. Chaque ligne de peigne peut servir d'état ou de canal de fréquence différent. Des systèmes QKD basés sur des peignes ont été proposés pour générer des centaines de canaux indépendants de longueur d'onde à partir d'une seule source lumineuse, chacun pouvant porter un protocole QKD. Cette architecture massivement parallèle pourrait fournir des taux de clés brutes dépassant 100 Mbps sur des distances métropolitaines.

Échangeur d'empiècement codé par fréquence et répéteurs quantiques

Pour ce faire, il est intéressant de construire un réseau quantique à longue distance, car les mesures de l'état de Bell (BSM) peuvent être effectuées à l'aide de séparateurs de faisceaux de fréquence, en utilisant un coupleur sélectif de longueur d'onde. Un document 2023 dans ]Nature Photonics] a signalé le premier échange de fréquence avec une fidélité supérieure à 90 %, en utilisant une paire de mémoires quantiques atomiques. Le protocole a exploité les peignes de fréquence naturels des états de mémoire. Ce travail se dirige vers un internet quantique entièrement multiplexé où les répéteurs fonctionnent simultanément à de nombreux canaux de longueur d'onde.

Apprentissage automatique pour l'estimation et l'optimisation de la fréquence

Dans les systèmes classiques FSK, des filtres assortis sont utilisés pour une détection optimale. Dans les systèmes quantiques FSK, la détection peut consister à estimer la fréquence d'un photon unique avec une précision élevée. Les techniques d'apprentissage automatique, en particulier les réseaux neuronaux, peuvent améliorer l'estimation de la fréquence en présence de bruit. Les chercheurs ont formé des réseaux neuronaux convolutionnels pour reconnaître la fréquence photon à partir de la sortie d'un tableau SPAD, en obtenant une résolution au-delà de la limite de Rayleigh.

Conclusion

La résistance naturelle au bruit, la compatibilité avec l'infrastructure fibre optique existante et la capacité de recourir au multiplexage par division de longueur d'onde en font un candidat fort pour la distribution pratique des clés quantiques et d'autres technologies de communication quantique. Bien que des défis subsistent – surtout pour maintenir la cohérence et lutter contre la dérive de la fréquence environnementale – des progrès continus dans les lasers stabilisés par fréquence, des réseaux de détecteurs supraconducteurs et des photoniques intégrées réduisent rapidement l'écart.

Pour plus de détails, voir Nature paper on QKD over satellite links, PRX Quantum review on frequency ending, et ETSI QKD group specifications.