La cryptographie quantique

Vue d'artiste (IA) de la cryptographie quantique

Introduction

La cryptographie quantique est une discipline exigeante, relativement récente, qui associe les principes fondamentaux de la mécanique quantique et les besoins modernes en matière de sécurité numérique.

Avec la recrudescence des attaques sophistiquées et la possible arrivée d’une nouvelle génération d’ordinateurs, quantique eux aussi, potentiellement capables de rapidement briser les systèmes cryptographiques classiques, cette technologie promet de réinventer les standards de la cybersécurité moderne, rien que cela !

La physique quantique : contre-intuitive, même pour Einstein !

La mécanique quantique, qui repose sur des principes comme la superposition d'états, l'intrication et le principe d'incertitude de Heisenberg, constitue les bases scientifiques de la cryptographie quantique.

En mécanique classique, les états d'un système, comme le système binaire, peuvent être mesurés de manière déterministe : blanc ou noir, électricité ou pas, porte ouverte ou fermée, par exemple pour illustrer le fonctionnement d’un transistor.

Il en va tout autrement en mécanique quantique, où les états sont décrits par des fonctions d'onde permettant des superpositions et des probabilités impossibles dans la physique classique.

Et c’est bien ce caractère probabiliste qui est essentiel pour garantir la sécurité des systèmes quantiques, de même que le principe de non-clonage.

Les débuts de la cryptographie quantique

Le protocole BB84, développé par Charles Bennett et Gilles Brassard en 1984, est un exemple clé des applications pratiques des principes quantiques.

En exploitant la polarisation des photons, il repose essentiellement sur la transmission de bits quantiques (qubits) utilisant différentes bases de polarisation.

L'interception des qubits par un tiers perturbe leur état, rendant toute tentative d'espionnage détectable. Cette propriété découle directement du théorème de non-clonage quantique.

L'intrication quantique

L'intrication est un phénomène où des particules partagent un état commun, même lorsqu'elles sont séparées par de vastes distances.

Mathématiquement, cela implique que la fonction d'onde décrivant le système ne peut pas être factorisée en états individuels pour chaque particule.

Les systèmes intriqués sont utilisés dans des protocoles ingénieux, tels que E91, qui permettent une distribution de clés quantiques basée sur des corrélations maximales entre les mesures des

particules intriquées.

Le principe de non-clonage

Le théorème de non-clonage quantique, énoncé par Wootters et Zurek, mais aussi par Dieks en 1982, stipule qu'il est impossible de copier exactement un état quantique dont on ne connait pas l’état...

Pour une fois, logique !

Cette impossibilité est une conséquence directe de la linéarité des opérateurs de mesure en mécanique quantique, et c’est crucial pour la suite…

Dans le cadre de la cryptographie, cela signifie qu'un adversaire ne peut pas dupliquer les qubits sans introduire d'erreurs, rendant les tentatives d’espionnage ou de vol irrémédiablement détectables !

La distribution de clés quantiques (QKD)

La QKD ( Quantum Key Distribution ) repose sur des techniques telles que l'utilisation des bases de polarisation de photons (BB84) ou l'intrication quantique (E91) que nous avons évoqués précédemment.

Lorsque deux participants au protocole échangent des qubits, ils vérifient les perturbations éventuelles introduites par les mesures d'un tiers malveillant, ce qui signerait une tentative d’effraction.

Une fois la transmission achevée, des algorithmes de correction d'erreurs et de confidentialité sont appliqués pour obtenir une clé partagée parfaite.

Quelles applications ?

Les réseaux de communication quantique exploitent des fibres optiques et des satellites pour transmettre des qubits sur de longues distances.

Par exemple, les systèmes basés sur des répéteurs quantiques utilisent des paires intriquées pour étendre la portée de la distribution de clés quantiques tout en préservant leur sécurité.

Ce système est particulièrement prisé dans le monde des communications gouvernementales et militaires, ainsi que dans les secteurs de la grande finance.

Qui commercialise ?

La cryptographie quantique, bien qu’encore émergente, dispose déjà de cas d’usage commerciaux avérés, portés par des entreprises comme ID Quantique, Quintessence Labs, KETS Quantum Security, sans oublier des consortiums comme ParisRegionQCI.

Plus près de nous, ID Quantique, issue de l’Université de Genève et toujours basée dans cette ville, est un leader mondial des solutions de cryptographie quantique, notamment via des systèmes QKD commercialisés pour sécuriser les communications sensibles.

L’entreprise fournit des équipements déjà utilisés par des gouvernements et des opérateurs télécoms pour la protection des réseaux critiques et la sécurisation de centres de données.

Ces solutions, particulièrement onéreuses, sont adoptées dans les secteurs où la sécurité des communications est cruciale, et leur déploiement s’accélère face à la menace croissante des ordinateurs quantiques, qui représenterait un véritable « game changer » en cas de mise au point effective.

Les systèmes financiers

La cryptographie quantique est aussi en passe de transformer l'infrastructure des systèmes bancaires, notamment en Suisse, où elle garantit la sécurité des transactions en ligne et la confidentialité des données sensibles de certains secteurs hautement confidentiels.

Les réseaux quantiques

Les réseaux de communication quantique représentent une étape vers un internet quantique, à condition que celui-ci se fasse un jour.

Dès 2002, la DARPA américaine finançait le premier réseau à distribution de clefs quantiques du monde en le faisant fonctionner sans interruption pendant trois ans.

En 2017, la Chine a démontré la faisabilité de tels réseaux sur de longues distances en reliant Pékin et Shanghai via un QKD à base de fibres optiques sur plus de 2500 kilomètres.

Ces réseaux exploitent tous des sources de photons uniques et des détecteurs à haute efficacité pour minimiser les pertes et les erreurs, mais cela reste encore expérimental.

Les défis technologiques

La cryptographie quantique requiert des technologies avancées, telles que des sources de photons uniques, des détecteurs à avalanche et des systèmes de stabilisation des fibres optiques, lesquels sont particulièrement coûteux à fabriquer et à déployer.

De plus, la sensibilité intrinsèque des qubits rend les systèmes vulnérables aux perturbations environnementales, nécessitant des infrastructures robustes pour garantir leur fiabilité, et tout ceci augmente encore le coût de leurs utilisations hors des laboratoires.

Les enjeux économiques et géopolitiques

Les investissements massifs nécessaires pour développer des réseaux quantiques posent des défis économiques conséquents, notamment dans les contrées défavorisées.

En effet, les coûts de déploiement, même à l’échelle d’un État, seraient sans commune mesure avec ceux qu’internet généra à ses débuts, car il se contentait d’un simple câblage en cuivre déjà installé un peu partout pour la téléphonie fixe, ce qui facilita son adoption.

Par ailleurs, la cryptographie quantique pourrait devenir une arme stratégique dans les relations internationales, avec des implications géopolitiques majeures pour les pays leaders dans cette technologie, mais surtout pour ceux qui en seraient privés…

Perspectives

Avec l'amélioration des technologies quantiques, telles que les ordinateurs quantiques supraconducteurs et les systèmes photoniques, la cryptographie quantique pourrait devenir plus accessible, mais c’est encore une musique d’avenir.

De même, les recherches sur les répéteurs quantiques et les réseaux distribués pourraient amener des avancées spectaculaires, même si là aussi, le conditionnel est de mise.

Une nouvelle approche de la cybersécurité ?

Pourtant, à mesure que les menaces numériques augmentent, la cryptographie quantique est appelée à jouer un rôle central dans la sécurité mondiale et ce, avec ou dans le développement d’un ordinateur quantique.

Un peu partout, des initiatives internationales, comme les collaborations entre instituts de recherche, universités, entreprises technologiques, accélèrent son adoption et son intégration dans les systèmes existants.

Conclusion

La cryptographie quantique représente une avancée technique majeure dans le domaine de la sécurité informatique, et ses premières applications commerciales sont disponibles.

En exploitant les propriétés fondamentales de la mécanique quantique, elle établit de nouvelles références, actuellement infaillibles, pour la confidentialité et la protection des données numériques.

Et surtout, bien qu'encore en développement, la cryptographie quantique serait la seule à prétendre résister au possible avènement d’un ordinateur quantique, et rien que cette perspective, pour incertaine qu’elle soit, devrait accélérer sa mise en service partout où cela est financièrement possible.