Les progrès de la cryptographie quantique

composant quantique

Des liens de communication quantique commencent à être déployés, aussi bien terrestres que satellitaires. Objectif: la transmission ultra-sécurisée de l’information en réponse à la menace de l’ordinateur et des algorithmes quantiques capables de mettre à mal les techniques de chiffrement classiques. La communication quantique prendra véritablement son essor lorsqu’on sera parvenu à assembler les briques élémentaires qui permettent de générer, véhiculer, stocker et synchroniser l’information quantique entre sites distants. Les modes de communication et de traitement de l’information classique ont révolutionné la société au cours des dernières décennies : les cinq continents sont reliés par des câbles optiques sous-marins, les territoires sont maillés par de nombreuses liaisons terrestres ou satellitaires, permettant de véhiculer et router l’information sans perte et à très haut débit sur des distances quasi illimitées.

Toutefois, une limitation forte existe lorsqu’il s’agit de communiquer l’information de façon ultra-sécurisée. En effet, la sécurisation des données intervient à chaque instant dans de très nombreux domaines de la vie privée ou publique et représente un enjeu stratégique pour les entreprises, les grands groupes industriels, les banques ou l’État.

Aujourd’hui, les protocoles utilisés pour le chiffrement et le déchiffrement des messages utilisent des codes mathématiques de plus en plus complexes avec des clefs publiques de plus en plus longues, à mesure qu’augmente la puissance des ordinateurs (classiques) capables de les casser. Cependant, avec les algorithmes classiques, la confidentialité des messages ne peut pas être garantie pour l'éternité. Une stratégie plus efficace et plus pérenne est donc nécessaire : la physique quantique intervient alors pour garantir l’inviolabilité des communications à distance et sur le long terme, apportant des solutions à l’établissement de clés de chiffrement privées et parfaitement confidentielles.

Les expériences du début des années 80 sur l’intrication photonique ont profondément transformé le domaine de l’optique quantique et ont ouvert la voie à l’ère de l’information quantique. Du point de vue conceptuel, les physiciens ont réalisé que les propriétés intrinsèques à la théorie quantique peuvent servir à coder des bits quantiques d'information utiles à plusieurs protocoles d'échange d'information initialement regroupés sous le terme générique de communication quantique. On parle volontiers de qubit et de paires de qubits intriqués, par analogie avec les bits usuels. Du point de vue technologique, la rencontre, à la fin des années 1980, de l'optique quantique et de l'optique non-linéaire a permis le développement de nouvelles sources de photons uniques et intriqués, plus compactes, efficaces et simples d'utilisation.

D’autres techniques ont également vu le jour, autorisant la fabrication et l’exploitation d’émetteurs artificiels, tels que les boîtes quantiques semi-conductrices ou les centres colorés dans les cristaux de diamant. L’heure est à la construction de véritables réseaux quantiques, permettant la génération, la distribution, la manipulation, le stockage et le traitement de l'information quantique, au même titre que ce qui se fait quotidiennement dans nos réseaux classiques. L’ère de l’Internet quantique promet de révolutionner la communication, via une sécurisation "absolue" des données.

La cryptographie quantique sert à établir des clés privées à distance, utilisées ensuite dans des protocoles de chiffrement classiques. Elle repose sur l’échange de bits générés aléatoirement, à ceci près que les bits 0 ou 1 deviennent des superpositions d’états (les qubits). Pour envoyer des qubits sur de grandes distances, le support privilégié est le photon, qui autorise l’encodage de l’information sur des observables telles que la polarisation de la lumière. Les photons sont émis un à un (centres colorés dans le diamant, boîtes quantiques) ou par paires (sources paramétriques en optique non-linéaire). Les protocoles variés d’établissement quantique de clés de chiffrement utilisent ainsi des qubits individuels, d’autres des paires de qubits intriqués.

C’est une technologie quantique déjà relativement mûre qui donne lieu à des systèmes développés et commercialisés par quelques petites entreprises. La société Suisse ID-Quantique l’a notamment utilisée à plusieurs reprises en situations réelles, par exemple pour le relevé des votes en ligne dans le Canton de Genève. Ainsi, de véritables réseaux sont actuellement opérationnels dans plusieurs grandes villes du monde, comme c’est le cas à Tokyo depuis 2011 (environ 50 km). Un lien sécurisé sur plus de 300 km a récemment été démontré à Genève.

Pour sa part, la Chine vise une connexion quantique par fibre optique entre Pékin et Shanghai sur le long terme (environ 1200 km). Pourtant, la méthode ne peut fonctionner actuellement que sur des distances limitées à quelques centaines de kilomètres en l’absence de relais et de répéteurs sécurisés.

Toute une recherche se développe donc pour rendre les réseaux quantiques plus efficaces et repousser les distances de communication quantique. Il convient donc de concevoir de tels relais et répéteurs, permettant de téléporter et/ou stocker des états intriqués photoniques bipartites en deux endroits distants, puis de synchroniser la réémission des photons. Le principe est intuitif : plus le nombre de ressources impliquées dans un réseau augmente, plus le nombre de nœuds où il est possible de tester la présence de l'information quantique augmente lui aussi.

Ces nœuds sont soit des stations de génération (sources de photons uniques ou de photons intriqués), soit des stations de mesure ou de stockage de l’information. Plus spécifiquement, les mémoires quantiques permettent de stocker les qubits sans révéler ni dégrader l'information qu'ils portent, et idéalement avec une très bonne efficacité d'écriture et de relecture. Ces dispositifs sont généralement basés sur un support matériel, par exemple des cristaux dopés aux ions de terre-rare, des vapeurs atomiques à température ambiante ou encore des ensembles d’atomes froids

Parallèlement à ces recherches, la communication quantique vient de faire ses premiers pas dans l’espace : une source embarquée sur un satellite chinois a en effet permis de distribuer des photons intriqués entre deux stations sol séparées par une distance record de 1200 km. Une ère nouvelle, celle de la communication quantique intercontinentale, s’ouvre donc aux chercheurs et aux "ingénieurs quantiques".

Afin d’augmenter les débits, la portée et la sécurité des liens de communication quantique, les recherches actuelles se tournent volontiers vers les dernières innovations technologiques en photonique et en micro-électronique. Ceci devrait permettre la mise en place de véritable crypto-systèmes quantiques, allant du prototype au dispositif éprouvé. Ainsi, grâce aux récents progrès expérimentaux relatifs à la manipulation de l’intrication aux longueurs d’onde des télécommunications, les chercheurs envisagent aujourd’hui des protocoles quantiques de communication à grande échelle, que ce soit en termes de nombre d’utilisateurs connectés que de distances qui les séparent.

L’intrication devrait donc permettre le développement de crypto-systèmes certifiés ou, en d’autres termes, indépendants du matériel employé (sources et détecteurs). Par ailleurs, de nouvelles idées d’hybridation émergent sans cesse : certaines visent à introduire la cryptographie quantique dans les systèmes télécoms existants, d’autres envisagent des solutions post-quantiques à base de cryptographie classique actuellement non attaquables par l’ordinateur quantique. Enfin, du point de vue développement de systèmes, l’augmentation drastique de la portée des réseaux quantiques passera probablement par l’interconnexion entre les technologies qui relèvent des liens satellitaires pour les ponts point-à-point à grande échelle et liens fibre optique pour les ponts locaux multipoints.

Si des années de R&D sont encore nécessaires avant que le grand public dispose d’un Internet quantique universel, l’établissement des clés privées ultra-sécurisées entre sites distants est vu aujourd’hui comme la façon de contourner la menace de l’ordinateur quantique qui "pèse" sur les systèmes de chiffrement classique.

Cet article est paru dans la revue du CEA "Clefs - les voix de la recherche". Vous pouvez le retrouver dans le N° 66 téléchargeable en cliquant ici.
Clefs CEA est une revue scientifique et technique qui fait le point sur de grands thèmes de recherche du CEA ou sur des thèmes transverses à ses différentes activités.

Cet article est l'oeuvre de:

Eleni Diamanti chargée de recherche au Laboratoire d’informatique de Paris 6 (LIP6) et membre du GDR Ingénierie Quantique, Aspects Fondamentaux & Applications (IQFA).

Sébastien Tanzilli directeur de recherche. Il anime l’équipe Information quantique avec la lumière & la matière (QILM) à l’Université Côte d’Azur et dirige le
GDR IQFA.

En vidéo ci-dessous --> Eleni Diamanti nous parle de son métier, de ses recherches, et des ordinateurs quantiques.

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