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Cryptographie quantique infaillible
Des chercheurs de Toshiba, à Cambridge, au Royaume-Uni, ont trouvé un moyen de colmater une faille de sécurité qui limite actuellement la distance et la vitesse de distribution des clés de cryptage à l'aide des systèmes de cryptographie quantique existants. Les développements pourraient élargir l'attrait commercial de la distribution de clés quantiques inconditionnellement sécurisées, déclare Andrew Shields, responsable de Groupe d'information quantique chez Toshiba Research Europe, qui a dirigé la recherche.
Le danger en nombre : Rendre le chiffrement quantique totalement sécurisé nécessitera l'utilisation d'impulsions à photon unique. Sur la photo, une nouvelle diode électroluminescente capable de générer de telles impulsions.
La cryptographie quantique n'est actuellement utilisée que pour l'envoi de clés de cryptage entre les bâtiments par certaines banques et services gouvernementaux. Mais les systèmes ne peuvent garantir la sécurité que sur des distances relativement courtes. Le défi est d'étendre la portée et d'augmenter la vitesse à laquelle les clés peuvent être envoyées afin qu'elles puissent être utilisées plus largement, explique Shields.
Les systèmes commerciaux actuels de cryptographie quantique sont conçus pour permettre à deux parties d'échanger des clés de chiffrement secrètes sans courir le risque qu'elles soient interceptées. Cela se fait en codant les informations de clé numérique en rafales de lumière envoyées sur des fibres optiques standard.
Les 1 et les 0 de ces clés numériques sont codés en délais entre les impulsions de photons individuels. En théorie, ce qui rend cela si sûr, c'est que toute tentative d'écoute clandestine pour intercepter le signal impliquera nécessairement la suppression de photons individuels du signal - un acte qui peut être détecté.
En pratique, cependant, cette sorte de sécurité inconditionnelle ne peut être réellement garantie que si sa source lumineuse n'émet que des photons uniques. Comme ce n'est pas le cas dans le chiffrement quantique actuel, des attaques par écoute clandestine sont possibles. Dans une stratégie, un espion siphonne des photons individuels ; cette attaque repose sur le fait que certaines impulsions seront constituées de plus d'un photon, ce qui signifie qu'elles ne seront pas manquées.
Pour contourner ce problème, les systèmes commerciaux de cryptage quantique existants utilisent des astuces pour réduire la probabilité que les impulsions contiennent plusieurs photons. Par exemple, les systèmes peuvent limiter l'intensité de chaque impulsion et réduire le débit binaire auquel elles sont envoyées. Cependant, le compromis est que plus une impulsion est faible, moins elle peut parcourir de distance, tandis qu'un débit binaire plus lent limitera la vitesse à laquelle les clés peuvent être distribuées, explique Shields.
La solution de Toshiba consiste à inclure dans le signal ce que Shields appelle des impulsions leurres. Ces impulsions sont dispersées de manière aléatoire dans le signal et sont plus faibles que le reste du signal. Cela signifie qu'ils se composent rarement de plus d'un photon. Si un espion tente de bloquer des photons uniques tout en siphonnant plusieurs photons du reste des impulsions, davantage de ces impulsions leurres seront bloquées en moyenne que le reste du signal. Ainsi, en surveillant la proportion de signaux aux impulsions leurres qui les traversent, il est possible de détecter une attaque.
L'utilisation de cette approche leurre permet d'utiliser des impulsions laser plus puissantes, ce qui permet à son tour d'augmenter le débit binaire et, de même, la distance sur laquelle il peut être envoyé, explique Shields. Les signaux non leurres peuvent atteindre environ 43 bits par seconde sur une distance d'environ 25 kilomètres. Mais l'approche leurre peut atteindre 5,5 kilobits par seconde, ce qui représente une multiplication par 100.
Il est déjà possible d'obtenir une sécurité inconditionnelle, mais le défi est de le faire sur de plus longues distances, dit Grégoire Ribordy , PDG et fondateur de id Quantique , la société suisse qui, en 2002, a lancé un système commercial de cryptographie quantique. Ce leurre permet d'augmenter la portée ou le débit pour une distance donnée, précise Ribordy.
L'approche leurre est une défense très utile contre ce type d'attaque contre la cryptographie quantique, et plusieurs groupes travaillent maintenant sur des approches similaires, dit Frank Wong , du groupe des sciences de l'information quantique au MIT. Mais le problème avec les allégations sur la sécurité inconditionnelle est qu'il n'y a actuellement aucun moyen de la tester, sauf par la simulation, dit Wong.
La deuxième avancée du groupe a une signification à plus long terme, dit Shields. Il s'agit du développement d'une diode électroluminescente capable d'émettre de manière plus fiable des photons uniques. Avec la distribution de clés quantiques, l'idéal est de n'envoyer que des photons uniques, dit-il. Si l'on peut le faire de manière fiable, la transmission serait vraiment imperméable à toute attaque, et des techniques telles que les impulsions de leurre seraient rendues redondantes.
L'approche de Toshiba consiste à créer un réseau de points quantiques, chacun mesurant 45 nanomètres de diamètre et capable d'émettre uniquement des photons uniques. Bien qu'une diode électroluminescente fabriquée à l'aide de ces points quantiques émet encore occasionnellement plus d'un photon, les chances que cela se produise sont cinq fois moindres que si elles utilisaient un laser. Il existe d'autres façons de produire des photons uniques, mais l'un des avantages de l'utilisation des points quantiques est qu'ils peuvent être facilement intégrés et contrôlés par l'électronique. Le contrôle par une tension plutôt qu'un laser est un grand avantage car les appareils électriques sont beaucoup plus compacts et robustes, explique Shields.