Explication : Qu'est-ce que la communication quantique ?

Mme Tech

Ceci est le deuxième d'une série d'explications sur la technologie quantique. Les deux autres portent sur l'informatique quantique et la cryptographie post-quantique.

Il se passe à peine une semaine sans que des rapports fassent état d'un nouveau méga-piratage qui expose d'énormes quantités d'informations sensibles, des détails de la carte de crédit et des dossiers médicaux des personnes à la précieuse propriété intellectuelle des entreprises. La menace posée par les cyberattaques oblige les gouvernements, les militaires et les entreprises à explorer des moyens plus sûrs de transmettre des informations.

Aujourd'hui, les données sensibles sont généralement cryptées puis envoyées via des câbles à fibre optique et d'autres canaux avec les clés numériques nécessaires pour décoder les informations. Les données et les clés sont envoyées sous forme de bits classiques - un flux d'impulsions électriques ou optiques représentant un sable 0 s. Et cela les rend vulnérables. Les pirates intelligents peuvent lire et copier des bits en transit sans laisser de trace.

La communication quantique tire parti des lois de la physique quantique pour protéger les données. Ces lois permettent aux particules - généralement des photons de lumière pour la transmission de données le long de câbles optiques - de prendre un état de superposition , ce qui signifie qu'elles peuvent représenter de multiples combinaisons de un et 0 simultanément. Les particules sont appelées bits quantiques ou qubits.

La beauté des qubits du point de vue de la cybersécurité est que si un pirate essaie de les observer en transit, leur état quantique super fragile s'effondre soit un ou 0 . Cela signifie qu'un pirate ne peut pas altérer les qubits sans laisser derrière lui un signe révélateur de l'activité.

Certaines entreprises ont profité de cette propriété pour créer des réseaux de transmission de données hautement sensibles basés sur un processus appelé distribution de clé quantique, ou QKD. En théorie, du moins, ces réseaux sont ultra-sécurisés.

Qu'est-ce que la distribution quantique des clés ?

QKD implique l'envoi de données chiffrées sous forme de bits classiques sur les réseaux, tandis que les clés pour déchiffrer les informations sont codées et transmises dans un état quantique à l'aide de qubits.

Diverses approches, ou protocoles, ont été développés pour la mise en œuvre de QKD. Un largement utilisé connu sous le nom de BB84 fonctionne comme ceci. Imaginez deux personnes, Alice et Bob. Alice veut envoyer des données en toute sécurité à Bob. Pour ce faire, elle crée une clé de chiffrement sous la forme de qubits dont les états de polarisation représentent les valeurs de bit individuelles de la clé.

Les qubits peuvent être envoyés à Bob via un câble à fibre optique. En comparant les mesures de l'état d'une fraction de ces qubits - un processus connu sous le nom de tamisage de clé - Alice et Bob peuvent établir qu'ils détiennent la même clé.

Au fur et à mesure que les qubits voyagent vers leur destination, l'état quantique fragile de certains d'entre eux s'effondrera à cause de la décohérence. Pour tenir compte de cela, Alice et Bob ont ensuite exécuté un processus appelé distillation de clé, qui consiste à calculer si le taux d'erreur est suffisamment élevé pour suggérer qu'un pirate a tenté d'intercepter la clé.

Si c'est le cas, ils abandonnent la clé suspecte et continuent d'en générer de nouvelles jusqu'à ce qu'ils soient sûrs de partager une clé sécurisée. Alice peut alors utiliser la sienne pour chiffrer les données et les envoyer en bits classiques à Bob, qui utilise sa clé pour décoder les informations.

Nous commençons déjà à voir émerger davantage de réseaux QKD. Le plus long se trouve en Chine, qui dispose d'une liaison terrestre de 2 032 kilomètres (1 263 milles) entre Pékin et Shanghai. Les banques et autres sociétés financières l'utilisent déjà pour transmettre des données. Aux États-Unis, une startup appelée Quantum Xchange a conclu un accord lui donnant accès à 500 miles (805 kilomètres) de câble à fibre optique longeant la côte Est pour créer un réseau QKD. La première étape reliera Manhattan au New Jersey, où de nombreuses banques disposent de grands centres de données.

Bien que QKD soit relativement sûr, il serait encore plus sûr s'il pouvait compter sur des répéteurs quantiques.

Qu'est-ce qu'un répéteur quantique ?

Les matériaux des câbles peuvent absorber les photons, ce qui signifie qu'ils ne peuvent généralement pas parcourir plus de quelques dizaines de kilomètres. Dans un réseau classique, des répéteurs à divers points le long d'un câble sont utilisés pour amplifier le signal afin de compenser cela.

Les réseaux QKD ont proposé une solution similaire, créant des nœuds de confiance à divers endroits. Le réseau Pékin-Shanghai en compte 32, par exemple. À ces stations, les clés quantiques sont déchiffrées en bits, puis rechiffrées dans un nouvel état quantique pour leur voyage vers le nœud suivant. Mais cela signifie que les nœuds de confiance ne sont pas vraiment dignes de confiance : un pirate informatique qui a violé la sécurité des nœuds pourrait copier les bits sans être détecté et ainsi acquérir une clé, tout comme une entreprise ou un gouvernement qui gère les nœuds.

Idéalement, nous avons besoin de répéteurs quantiques ou de stations de cheminement avec des processeurs quantiques qui permettraient aux clés de chiffrement de rester sous forme quantique lorsqu'elles sont amplifiées et envoyées sur de longues distances. Les chercheurs ont démontré qu'il est en principe possible de construire de tels répéteurs, mais ils n'ont pas encore été en mesure de produire un prototype fonctionnel.

Il y a un autre problème avec QKD. Les données sous-jacentes sont toujours transmises sous forme de bits cryptés sur les réseaux conventionnels. Cela signifie qu'un pirate qui a violé les défenses d'un réseau pourrait copier les bits sans être détecté, puis utiliser des ordinateurs puissants pour essayer de déchiffrer la clé utilisée pour les chiffrer.

Les algorithmes de chiffrement les plus puissants sont assez robustes, mais le risque est suffisamment grand pour inciter certains chercheurs à travailler sur une approche alternative connue sous le nom de téléportation quantique.

Qu'est-ce que la téléportation quantique ?

Cela peut sembler de la science-fiction, mais c'est une véritable méthode qui consiste à transmettre des données entièrement sous forme quantique. L'approche repose sur un phénomène quantique connu sous le nom d'intrication.

La téléportation quantique fonctionne en créant des paires de photons intriqués, puis en envoyant un de chaque paire à l'expéditeur des données et l'autre à un destinataire. Quand Alice reçoit son photon intriqué, elle le laisse interagir avec un qubit mémoire qui contient les données qu'elle veut transmettre à Bob. Cette interaction change l'état de son photon, et parce qu'il est intriqué avec celui de Bob, l'interaction change aussi instantanément l'état de son photon.

En effet, cela téléporte les données du qubit mémoire d'Alice de son photon à celui de Bob. Le graphique ci-dessous présente le processus un peu plus en détail :

Des chercheurs aux États-Unis, en Chine et en Europe se précipitent pour créer des réseaux de téléportation capables de distribuer des photons intriqués. Mais les mettre à l'échelle sera un énorme défi scientifique et technique. Les nombreux obstacles comprennent la recherche de moyens fiables de produire de nombreux photons liés à la demande et le maintien de leur intrication sur de très longues distances, ce que les répéteurs quantiques faciliteraient.

Pourtant, ces défis n'ont pas empêché les chercheurs de rêver d'un futur Internet quantique.

Qu'est-ce qu'un Internet quantique ?

Tout comme l'Internet traditionnel, il s'agirait d'un réseau mondial de réseaux. La grande différence est que les réseaux de communication sous-jacents seraient quantiques.

Il ne remplacera pas Internet tel que nous le connaissons aujourd'hui. Les photos de chats, les vidéos musicales et de nombreuses informations commerciales non sensibles continueront de se déplacer sous la forme de bits classiques. Mais un Internet quantique séduira les organisations qui ont besoin de sécuriser des données particulièrement précieuses. Cela pourrait également être un moyen idéal de connecter les informations circulant entre les ordinateurs quantiques , qui sont de plus en plus mis à disposition via le cloud informatique.

La Chine est à l'avant-garde de la poussée vers un Internet quantique. Il a lancé il y a quelques années un satellite dédié aux communications quantiques appelé Micius, et en 2017, le satellite a aidé à organiser la première vidéoconférence intercontinentale sécurisée par QKD au monde, entre Pékin et Vienne. Une station au sol relie déjà le satellite au réseau terrestre Pékin-Shanghai. La Chine prévoit de lancer davantage de satellites quantiques et plusieurs villes du pays élaborent des plans pour des réseaux QKD municipaux.

Certains chercheurs ont averti que même un Internet entièrement quantique pourrait finalement devenir vulnérable à de nouvelles attaques qui sont elles-mêmes basées sur le quantique. Mais face à l'attaque de piratage informatique qui afflige l'Internet d'aujourd'hui, les entreprises, les gouvernements et l'armée vont continuer à explorer la perspective alléchante d'une alternative quantique plus sûre.

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