Internet fourmille d'informations hautement sensibles. Des techniques de cryptage sophistiquées garantissent généralement que ce contenu ne peut être intercepté et lu. Mais à l'avenir, les ordinateurs quantiques hautes performances pourraient déchiffrer ces clés en quelques secondes. Il est donc tout aussi bien que les techniques de mécanique quantique permettent non seulement de nouveaux algorithmes beaucoup plus rapides, mais également une cryptographie extrêmement efficace.

La distribution quantique de clés (QKD) - comme le dit le jargon - est sécurisée contre les attaques sur le canal de communication, mais pas contre les attaques ou les manipulations des appareils eux-mêmes. Les appareils pourraient donc produire une clé que le fabricant avait précédemment enregistrée et pourrait éventuellement avoir transmise à un pirate informatique. Avec QKD indépendant de l'appareil (en abrégé DIQKD), c'est une autre histoire. Ici, le protocole cryptographique est indépendant du dispositif utilisé. Théoriquement connue depuis les années 1990, cette méthode a maintenant été réalisée expérimentalement pour la première fois, par un groupe de recherche international dirigé par le physicien du LMU Harald Weinfurter et Charles Lim de l'Université nationale de Singapour (NUS).

Pour échanger des clés mécaniques quantiques, il existe différentes approches disponibles. Soit des signaux lumineux sont envoyés par l'émetteur au récepteur, soit des systèmes quantiques intriqués sont utilisés. Dans la présente expérience, les physiciens ont utilisé deux atomes de rubidium intriqués mécaniquement quantique, situés dans deux laboratoires situés à 400 mètres l'un de l'autre sur le campus du LMU. Les deux sites sont reliés par un câble à fibre optique de 700 mètres de long, qui passe sous la place Geschwister Scholl devant le bâtiment principal.

Pour créer un enchevêtrement, les scientifiques excitent d'abord chacun des atomes avec une impulsion laser. Après cela, les atomes retombent spontanément dans leur état fondamental, chacun émettant ainsi un photon. En raison de la conservation du moment cinétique, le spin de l'atome est intriqué avec la polarisation de son photon émis. Les deux particules lumineuses voyagent le long du câble à fibre optique jusqu'à une station réceptrice, où une mesure conjointe des photons indique un enchevêtrement des mémoires quantiques atomiques.

Pour échanger une clé, Alice et Bob - comme les deux parties sont généralement surnommées par les cryptographes - mesurent les états quantiques de leur atome respectif. Dans chaque cas, cela se fait au hasard dans deux ou quatre directions. Si les directions correspondent, les résultats de mesure sont identiques du fait de l'intrication et peuvent être utilisés pour générer une clé secrète. Avec les autres résultats de mesure, une inégalité dite de Bell peut être évaluée. Le physicien John Stewart Bell a initialement développé ces inégalités pour tester si la nature peut être décrite avec des variables cachées. "Il s'est avéré que ce n'est pas possible", déclare Weinfurter. Dans DIQKD, le test est utilisé "spécifiquement pour s'assurer qu'il n'y a pas de manipulations au niveau des appareils, c'est-à-dire, par exemple, que des résultats de mesure cachés n'ont pas été enregistrés au préalable dans les appareils", explique Weinfurter.

Contrairement aux approches précédentes, le protocole mis en œuvre, qui a été développé par des chercheurs du NUS, utilise deux paramètres de mesure pour la génération de clé au lieu d'un :"En introduisant le paramètre supplémentaire pour la génération de clé, il devient plus difficile d'intercepter les informations, et donc le protocole peut tolérer plus de bruit et générer des clés secrètes même pour des états intriqués de qualité inférieure », explique Charles Lim.

Avec les méthodes QKD classiques, en revanche, la sécurité n'est garantie que lorsque les dispositifs quantiques utilisés ont été suffisamment bien caractérisés. "Ainsi, les utilisateurs de ces protocoles doivent se fier aux spécifications fournies par les fournisseurs de QKD et être sûrs que l'appareil ne basculera pas dans un autre mode de fonctionnement lors de la distribution de la clé", explique Tim van Leent, l'un des quatre auteurs principaux du papier aux côtés de Wei Zhang et Kai Redeker. Il est connu depuis au moins une décennie que les appareils QKD plus anciens peuvent facilement être piratés de l'extérieur, poursuit van Leent.

"Avec notre méthode, nous pouvons désormais générer des clés secrètes avec des appareils non caractérisés et potentiellement peu fiables", explique Weinfurter. En fait, il avait initialement des doutes quant à la réussite de l'expérience. Mais son équipe a prouvé que ses appréhensions n'étaient pas fondées et a considérablement amélioré la qualité de l'expérience, comme il l'admet volontiers. Parallèlement au projet de coopération entre LMU et NUS, un autre groupe de recherche de l'Université d'Oxford a démontré la distribution de clé indépendante de l'appareil. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un système comprenant deux ions intriqués dans le même laboratoire. "Ces deux projets jettent les bases des futurs réseaux quantiques, dans lesquels une communication absolument sécurisée est possible entre des sites éloignés", déclare Charles Lim.

L'un des prochains objectifs est d'étendre le système pour incorporer plusieurs paires d'atomes intriqués. "Cela permettrait de générer beaucoup plus d'états d'intrication, ce qui augmenterait le débit de données et, en fin de compte, la sécurité des clés", explique van Leent. De plus, les chercheurs aimeraient augmenter la portée. Dans la configuration actuelle, elle était limitée par la perte d'environ la moitié des photons dans la fibre entre les laboratoires. Dans d'autres expériences, les chercheurs ont pu transformer la longueur d'onde des photons en une région à faible perte adaptée aux télécommunications. De cette façon, pour juste un peu de bruit supplémentaire, ils ont réussi à augmenter la portée de la connexion au réseau quantique à 33 kilomètres.

La recherche a été publiée dans Nature . + Explorer plus loin

Des chercheurs parviennent à un enchevêtrement record de mémoires quantiques