Première démonstration expérimentale d'une machine à énigmes quantiques

L'un des grands héros méconnus de la science du XXe siècle était un mathématicien et ingénieur des célèbres laboratoires Bell du New Jersey appelé Claude Shannon. Au cours des années 1940, 1950 et 1960, Shannon a jeté les bases mathématiques des communications et de l'informatique modernes tout en construisant certaines des premières machines intelligentes.

En cours de route, il a également apporté une contribution majeure à la théorie de la cryptographie avec un article intitulé Communication Theory of Secrecy Systems, publié en 1949. Il y prouvait qu'il était possible d'envoyer un message parfaitement sécurisé à condition que la clé de chiffrement soit entièrement aléatoire. et utilisé une seule fois.

Le travail de Shannon est la preuve mathématique que le tampon à usage unique est une forme de cryptage vraiment incassable. Une condition critique est que la clé de chiffrement doit être au moins aussi longue que le message lui-même.

La première machine à énigmes quantiques.

Le travail de Shannon suppose que le message est envoyé en utilisant des formes de transmission conventionnelles. Mais ces 10 dernières années, les physiciens quantiques ont montré qu'il était possible de faire mieux si le message était chiffré à l'aide de règles quantiques. Ils ont notamment montré que dans le monde quantique, un message sécurisé peut être envoyé avec une clé nettement plus courte que le message lui-même. Du moins en théorie.

Les chercheurs ont baptisé cet appareil une machine à énigmes quantiques, d'après le dispositif de cryptage nazi que les décrypteurs dirigés par Alan Turing ont piraté pendant la Seconde Guerre mondiale. Mais le dispositif a été entièrement théorique.

Jusqu'à maintenant. Aujourd'hui, Daniel Lum de l'Université de Rochester dans l'État de New York et quelques amis dévoilent pour la première fois une véritable machine à énigmes quantiques. Leur dispositif de preuve de principe est capable d'envoyer des messages parfaitement sécurisés à l'aide d'une clé plus courte que le message lui-même.

Un pavé unique fonctionne en ajoutant un nombre aléatoire à chaque chiffre d'un message. Cela rend le message indiscernable d'un hasard. Il ne peut être lu qu'en soustrayant les mêmes nombres aléatoires pour produire le message d'origine.

Le secret dépend du fait que l'émetteur et le récepteur sont les seules personnes avec la liste des nombres aléatoires. Et bien sûr cette liste doit être plus longue que le message lui-même.

La version quantique de ce processus fonctionne en codant des informations dans un objet quantique tel qu'un photon, puis en modifiant l'état du photon avec une opération aléatoire. L'information ne peut être récupérée qu'en inversant l'opération aléatoire. Ainsi tant que seuls l'émetteur et le récepteur connaissent la séquence d'opérations aléatoires - la clé quantique - et que cette clé n'est utilisée qu'une seule fois, le message est parfaitement sécurisé.

Cependant, les théoriciens quantiques ont montré que la clé quantique peut être exponentiellement plus courte que le message lui-même.

Maintenant, Lum and co a construit un émetteur et un récepteur qui exploite ce mécanisme. Leur dispositif consiste en un canon à photons qui tire des photons uniques à travers une sorte de masque appelé modulateur spatial de lumière qui superpose des informations sur le front d'onde du photon. Si ce modulateur est constitué d'un réseau 8 x 8, il peut coder 64 bits d'information. En même temps, le modulateur spatial de lumière ajoute un signal aléatoire aux informations qu'il transmet.

Le point important est que toutes les informations codées sur le photon sont randomisées par un signal aléatoire. Ainsi, la séquence de signaux aléatoires utilisés pour le cryptage peut être nettement plus courte que le message lui-même.

Cela permet un rebondissement important. Comme le message est plus court que la clé, il est également possible d'envoyer une nouvelle clé pour coder le message suivant. De cette façon, le message et la nouvelle clé sont envoyés en même temps et les deux sont gardés entièrement secrets.

Le récepteur détecte chaque photon à l'aide d'un réseau sensible à la lumière qui peut détecter le motif superposé au photon. Il soustrait ensuite le signal aléatoire laissant le message d'origine.

Lum and co a fait exactement cela. Nous avons démontré le phénomène avec une expérience de preuve de principe pour verrouiller 6 bits par photon tout en utilisant moins de 6 bits par photon de clé secrète, explique l'équipe. En d'autres termes, ces gars ont construit la première machine à énigmes quantiques de preuve de principe.

C'est un résultat intéressant qui a une application immédiate. Les physiciens utilisent déjà la mécanique quantique pour envoyer des messages parfaitement sécurisés en utilisant une technique appelée distribution de clé quantique. Les techniques pour ce faire sont de plus en plus avancées. En effet, il existe déjà des versions commerciales de ce type de cryptage quantique sur le marché.

Lum et co affirment que la technologie et les techniques développées pour la distribution de clés quantiques peuvent être immédiatement appliquées à la construction de machines à énigmes quantiques. Il n'y a donc aucune raison pour que la technique ne puisse pas être commercialisée dans un avenir proche. Shannon serait sûrement impressionné.

Réf : arxiv.org/abs/1605.06556 : Une machine à énigme quantique : démonstration expérimentale du verrouillage des données quantiques

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