À l'intérieur de la quête de l'Europe pour construire un Internet quantique impossible à pirater

Illustration conceptuelle d'une serrure avec des photons enchevêtrés à l'intérieur, sur un fond de réseau illustré Mengxin Li

Le train rapide de Paris à Rotterdam avait une heure de retard au départ de la Gare du Nord. Lorsqu'il m'a finalement déposé dans la ville néerlandaise, j'ai découvert que le train en direction de Delft avait été suspendu en raison de travaux d'entretien sur les voies. Il m'a fallu deux trajets en bus détournés et un trajet en taxi avant d'arriver enfin à destination.

Étant donné que j'étais là pour me renseigner sur l'avenir des communications, cela semblait approprié. Mon voyage m'a rappelé que même si le transport de personnes d'un endroit à l'autre est toujours semé d'embûches imprévues, des quantités gargantuesques de données circulent sans heurts et rapidement toute la journée, chaque jour à travers les câbles à fibre optique reliant des villes, des pays et des continents entiers.

Et pourtant, ces réseaux de données ont une faiblesse : ils peuvent être piratés. Parmi les documents secrets divulgués il y a quelques années par le sous-traitant de la National Security Agency des États-Unis, Edward Snowden, figuraient ceux qui montraient que les agences de renseignement occidentales avaient réussi à se brancher sur les câbles de communication et à espionner les vastes volumes de trafic qui les traversaient.

L'institut de recherche que je visitais à Delft, QuTech , travaille sur un système qui pourrait rendre ce type de surveillance impossible. L'idée est d'exploiter la mécanique quantique pour créer un réseau de communication parfaitement sécurisé entre Delft et trois autres villes des Pays-Bas d'ici la fin de 2020 (voir la carte ci-dessous pour les liaisons prévues).

Les chercheurs de QuTech, dirigés par Stephanie Wehner et Ronald Hanson, sont toujours confrontés à un certain nombre de défis techniques de taille. Mais s'ils réussissent, leur projet pourrait catalyser un futur Internet quantique, de la même manière qu'Arpanet, créé par le département américain de la Défense à la fin des années 1960, a inspiré la création d'Internet tel que nous le connaissons aujourd'hui.

distancecalculator.net / ms tech

Des qubits inimitables

Internet est vulnérable au type de piratage révélé par Snowden car les données circulent toujours sur des câbles sous la forme de bits classiques - un flux d'impulsions électriques ou optiques représentant un sable 0 s. Un pirate informatique qui parvient à puiser dans les câbles peut lire et copier ces bits en transit.

Les lois de la physique quantique, d'autre part, permettent à une particule - par exemple, un atome, un électron ou (pour transmettre le long de câbles optiques) un photon de lumière - d'occuper un état quantique qui représente une combinaison de un et 0 simultanément. Une telle particule est appelée bit quantique, ou qubit. Lorsque vous essayez d'observer un qubit, son état s'effondre soit un ou 0 . Cela, explique Wehner, signifie que si un pirate accède à un flux de qubits, l'intrus détruit à la fois les informations quantiques dans ce flux et laisse un signal clair qu'il a été falsifié.

En raison de cette propriété, les qubits sont utilisés depuis un certain temps pour générer des clés de chiffrement dans un processus connu sous le nom de distribution de clé quantique (QKD). Cela implique l'envoi de données sous forme classique sur un réseau, tandis que les clés nécessaires pour décrypter les données sont transmises séparément dans un état quantique.

La Chine a démontré des applications impressionnantes de QKD. L'année dernière, il a utilisé un satellite appelé Micius pour transmettre des clés quantiques à deux stations au sol, l'une à Pékin et l'autre à Vienne. Les clés ont ensuite été utilisées pour décrypter les données classiques pour un appel vidéo sécurisé entre les deux villes. Toute tentative d'interception de la communication contenant les clés les aurait détruites, rendant impossible pour les espions (ou toute autre personne) de décrypter l'appel vidéo. La Chine a également construit un réseau terrestre de communication QKD de Pékin à Shanghai que les banques et d'autres entreprises utilisent pour transmettre des données commerciales sensibles.

Cependant, l'approche a des limites. Les photons peuvent être absorbés dans l'atmosphère ou par des matériaux dans les câbles, ce qui signifie qu'ils ne peuvent généralement pas parcourir plus de quelques dizaines de kilomètres. Le réseau Pékin-Shanghai contourne ce problème en disposant de 32 nœuds dits de confiance à divers points le long de celui-ci, semblables à des répéteurs qui amplifient le signal dans un câble de données ordinaire. À ces nœuds, les clés sont déchiffrées sous une forme classique, puis rechiffrées dans un nouvel état quantique pour leur voyage vers le point de cheminement suivant. Mais cela signifie qu'il ne faut vraiment pas faire confiance aux nœuds de confiance. Un pirate informatique qui enfreint leur sécurité pourrait copier les clés classiques sans être détecté, tout comme une entreprise ou un gouvernement exploitant les nœuds.

Téléportation quantique

Wehner, Hanson et leurs collègues de QuTech visent à surmonter ces limitations pour construire un Internet quantique complètement sécurisé.

L'approche qu'ils utilisent s'appelle la téléportation quantique. Cela peut sembler de la science-fiction, mais c'est une véritable méthode de transmission de données. Il repose sur un phénomène connu sous le nom d'intrication quantique.

L'intrication signifie créer une paire de qubits - des photons de lumière, à cette fin - dans un seul état quantique, de sorte que même s'ils se déplacent dans des directions opposées, ils conservent une connexion quantique. Changer l'état d'un photon changera instantanément l'état de l'autre de manière prévisible, quelle que soit la distance qui les sépare. Albert Einstein a appelé cette action effrayante à distance.

La téléportation quantique nécessite donc d'abord d'envoyer une paire de photons intriqués à deux personnes, appelez-les Alice et Bob. Alice reçoit son photon intriqué et le laisse interagir avec un qubit mémoire contenant les données qu'elle souhaite transmettre à Bob. Cette interaction change l'état de son photon, et donc aussi l'état du photon de Bob. En effet, cela téléporte les données du qubit de mémoire d'Alice du photon d'Alice à celui de Bob. L'illustration ci-dessous présente le processus un peu plus en détail.

Une autre façon de voir les choses : la paire de photons intriqués est comme les deux extrémités d'un câble de données virtuel à usage unique. Chaque fois qu'Alice et Bob veulent envoyer des données, ils reçoivent d'abord un nouveau câble, et parce que chacun d'eux tient une extrémité, ils sont les seuls à pouvoir l'utiliser. C'est ce qui le protège des écoutes clandestines.

Mme technologie

Il existe différentes façons en pratique de créer des qubits intriqués. Hanson, qui dirige le côté matériel de l'initiative de QuTech, utilise des diamants synthétiques microscopiques avec un défaut délibéré connu sous le nom de défaut de vacance d'azote. Ce défaut peut être manipulé à l'aide de lumière et de micro-ondes pour émettre des photons qui peuvent être envoyés à des endroits éloignés.

Cependant, la mise à l'échelle est un énorme défi scientifique et technique, comme Hanson le reconnaît volontiers. Nous pouvons essayer de faire un enchevêtrement à longue distance, mais cela échoue la plupart du temps, dit-il. Étant donné que les câbles à fibres optiques empruntent parfois des voies détournées, les distances que les photons devront parcourir dans le projet QuTech seront probablement plus longues que les distances directes indiquées sur notre carte.

Pourtant, il y a eu des progrès encourageants. En 2015, Hanson et un groupe d'autres chercheurs ont réussi à emmêler des qubits distants de 1,3 kilomètre (0,8 miles), mais la connexion n'a pu être établie qu'une fois par heure et n'a duré qu'une fraction de seconde. En juin de cette année, les chercheurs ont annoncé qu'ils avaient empêtré deux électrons à quelques mètres l'un de l'autre 40 fois par seconde. Cela a fait d'eux les premiers au monde à montrer que enchevêtrement à la demande est possible.

Générateur d'ondes laser

Cette expérience a eu lieu dans un laboratoire. Le reproduire dans le monde réel est une autre affaire. Les obstacles techniques comprennent non seulement l'accélération de l'enchevêtrement et son maintien sur des distances beaucoup plus longues, mais également l'exécution d'une astuce physique délicate qui utilise des impulsions laser pour augmenter les longueurs d'onde des photons afin qu'ils puissent voyager plus loin sur des câbles à fibre optique.

Alors que Hanson se concentre sur ces défis, Wehner a dirigé la conception du réseau et l'innovation logicielle nécessaires pour faire de la liaison entre quatre villes une réalité. Les logiciels utilisés pour contrôler les réseaux de communication classiques ne peuvent pas faire face à des choses comme l'intrication, c'est pourquoi Wehner a travaillé sur une nouvelle architecture qui permettra de contrôler efficacement le nouveau réseau quantique et de créer des applications pour celui-ci.

Lors d'un récent hackathon que QuTech a organisé conjointement avec le registre Internet régional européen, les applications suggérées comprenaient le vote sécurisé, les signatures numériques et même un service de chat quantique.

L'équipe QuTech semble déterminée à atteindre son objectif d'achever le réseau de quatre villes d'ici la fin de 2020, bien que Wehner admette que le délai est très serré. Ce qu'ils apprendront alimentera un projet européen récemment lancé, la Quantum Internet Alliance (QIA). Wehner coordonne l'Alliance , dont l'objectif est de construire un Internet quantique permettant des applications de communication quantique entre deux points quelconques sur Terre.

C'est ambitieux, c'est le moins qu'on puisse dire. Alors que les Pays-Bas sont un banc d'essai utile, les distances entre les villes y sont assez petites. Les réseaux plus grands nécessiteront probablement des répéteurs quantiques. Contrairement aux nœuds de confiance du réseau chinois, qui transforment les informations quantiques en une forme classique, puis inversement, ces répéteurs, ou stations de cheminement avec processeurs quantiques, seront nécessaires pour étendre l'enchevêtrement sur des milliers de kilomètres afin que les réseaux restent imperméables aux pirates.

Stephanie Wehner et Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Divers chercheurs, dont une équipe de QuTech, travaillent sur cette idée, mais elle en est encore à ses balbutiements. Il y a beaucoup de belles théories là-bas, dit Tracy Northup, professeur à l'Université d'Innsbruck qui est également impliquée dans le QIA, mais il n'y a même pas encore de preuve de principe dans le laboratoire.

En supposant qu'un Internet quantique devienne une réalité, cela soulèvera des questions importantes. Sera-t-il disponible pour tout le monde, ou les entreprises et les gouvernements aux poches profondes utiliseront-ils des voies quantiques tandis que d'autres seront relégués à des voies classiques moins sécurisées ? Et les gouvernements commenceront-ils à insister sur le fait qu'ils ont besoin de points d'accès spéciaux aux réseaux quantiques, tout comme ils s'agitent maintenant pour des portes dérobées dans les logiciels et les smartphones ?

Si l'équipe QuTech peut surmonter les obstacles techniques auxquels elle est confrontée, nous allons faire un grand pas en avant. Et les chercheurs aux Pays-Bas ne sont pas les seuls à surveiller. La Chine élabore un plan pour un réseau de communication entièrement quantique qui relierait la ville de Zhuhai à Hong Kong. Et avec Micius et leur réseau terrestre existant, les Chinois ont montré à quelle vitesse ils peuvent avancer. La course vers un internet quantique est bel et bien lancée.

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