Des questions fondamentales sur la manière dont l'univers fonctionne pour sécuriser les communications, c'est la mécanique quantique qui détient les solutions de notre avenir. Le professeur Artur Ekert, pionnier dans le domaine et père de la cryptographie quantique, est professeur (adjoint) et chef de l'unité de sécurité de l'information quantique de l'OIST depuis avril 2021. Le professeur Ekert, qui peut désormais séjourner plus fréquemment à l'OIST après la pandémie, a été interviewé.

Ayant une formation en mathématiques appliquées, il n'avait pas prévu de travailler en physique jusqu'à ce qu'il tombe par hasard sur « Les conférences Feynman sur la physique » dans une bibliothèque :« Je l'ai lu et j'en suis devenu complètement accro ! » dit le professeur Ekert. Fort de cette nouvelle passion, il a commencé à préparer son doctorat. à l'Université d'Oxford, où il a également rencontré son mentor David Deutsch, le pionnier du calcul quantique. Au même moment, il tombe sur un autre article influent sur l'intrication quantique, écrit par le célèbre physicien Alain Aspect.

"J'ai été profondément impressionné :l'article montrait que la mécanique quantique est intrinsèquement imprévisible. Ce fut mon point de départ lorsque j'ai compris que cela pouvait être utilisé pour des communications sécurisées", explique le professeur Ekert. Mais avant ces expériences révolutionnaires d'Aspect et de ses collègues, il y avait un débat féroce sur la question de savoir si les expériences en mécanique quantique étaient intrinsèquement imprévisibles ou non.

Même s’il était possible d’obtenir des prédictions statistiques sur les résultats de ces expériences, des affirmations précises restaient toujours hors de portée. "Maintenant, la question était :devons-nous gérer le véritable caractère aléatoire de la mécanique quantique ou simplement notre incapacité à prédire suffisamment bien les résultats ?" explique le professeur Ekert. Il s'est avéré que la réponse à cette question détenait également la clé du développement de la cryptographie quantique.

Y a-t-il un véritable hasard dans l'univers ?

Les événements aléatoires peuvent être classés en deux types différents, que les scientifiques appellent hasard objectif et subjectif. "Par exemple, quelque chose peut vous sembler aléatoire mais pas à moi parce que je dispose de plus d'informations qui me permettent de comprendre et de prédire l'événement. Si vous n'avez pas accès à ces informations supplémentaires, l'événement vous apparaîtra aléatoire - c'est ce que nous appelons le hasard subjectif", explique le professeur Ekert.

Étonnamment, l’exemple classique d’un tirage au sort appartient à la catégorie du hasard subjectif. Avec suffisamment de connaissances sur les conditions initiales, le mouvement et la structure des pièces, la circulation de l'air dans la pièce et bien plus encore, le résultat de tout tirage au sort deviendrait parfaitement prévisible. "Le hasard objectif, en revanche, est un événement dont vous ne pouvez pas prédire l'issue même si vous en saviez absolument tout", explique le professeur Ekert.

La question de savoir si la physique quantique comporte des éléments de ce caractère aléatoire objectif a été débattue parmi les scientifiques au 20ème siècle et a suscité une opposition très importante de la part d'Albert Einstein.

"Il pensait que nous ne pouvons pas prédire les résultats des expériences en mécanique quantique parce que nous manquons d'informations, et non parce qu'ils sont intrinsèquement imprévisibles", explique le professeur Ekert. Si cela était exact et que les informations manquantes avaient pu être identifiées, le résultat des expériences de mécanique quantique aurait dû devenir prévisible. "Il a qualifié ces informations manquantes de variables cachées", explique le professeur Ekert.

Ce débat théorique a fait rage pendant environ 30 ans, jusqu'à ce que le scientifique John Bell formule une hypothèse vérifiable, désormais également appelée l'inégalité de Bell. Ce test, entre autres utilisations, a permis de répondre à la question si les événements quantiques sont véritablement aléatoires ou non.

Voilà comment cela fonctionne en un mot ; au cours d'une expérience appropriée utilisant des photons intriqués, un paramètre spécifique est mesuré. Si ce paramètre se situe en dehors d'une plage attendue, cela confirme que les événements au niveau quantique ont une composante objectivement aléatoire, mais s'il se situe dans la plage attendue, alors les objections d'Einstein sont correctes et il existe des variables cachées.

"Le problème était que lorsque Bell a publié ses travaux, il n'était pas encore possible de réaliser ces expériences très complexes", explique le professeur Ekert. Avec les mathématiques mais pas les moyens techniques pour réaliser le test, le débat est resté sans réponse pendant une autre décennie. Jusqu'aux années 1970, lorsque ces expériences devinrent finalement possibles, John Clauser fut parmi les premiers à les réaliser.

"Lorsqu'il fait ces premières expériences, il observe une violation de l'inégalité de Bell qui soutient le fait que la nature est à la base aléatoire", explique le professeur Ekert.

Mais avec la technologie encore limitée de l’époque, cette découverte passionnante restait au début préliminaire. En fait, la certitude n’a été atteinte qu’à la fin des années 90. Entre autres, ce sont les travaux novateurs d'Alain Aspect, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan et Anton Zeilinger, sur la nature de l'intrication quantique et les inégalités de Bell, qui ont confirmé pour de bon le fonctionnement fondamental de la mécanique quantique, démontrant qu'il existe le vrai hasard dans les événements quantiques.

Dans Aspect 2022, Clauser et Zeilinger ont partagé un prix Nobel pour leurs efforts expérimentaux pionniers.

De la mécanique quantique à la cryptographie quantique

Après avoir appris tout cela alors qu'il préparait son doctorat, le professeur Ekert s'est rendu compte que le hasard pouvait être utilisé pour créer un moyen de développer un cryptage incassable. Avant que les communications sécurisées ne deviennent quantiques, la cryptographie permettait déjà de transmettre des informations en toute sécurité, à l'exception d'un écueil crucial.

"Imaginons que vous souhaitiez transmettre des informations en toute sécurité à une autre personne. Dans ce cas, vous avez tous les deux besoin de ce qu'on appelle une clé cryptographique, qui est une séquence complètement aléatoire de uns et de zéros. Cette clé doit rester strictement secrète !" dit le professeur Ekert. Bien que la clé soit aléatoire et donc dénuée de sens, elle permettra ultérieurement à son détenteur de décoder le message envoyé.

Mais cette méthode traditionnelle de cryptage présente un obstacle majeur en matière de sécurité :garder la clé secrète. En cas d'accès non autorisé, tous les messages envoyés pourraient être décodés et comment pourrait-il y avoir une certitude totale que personne n'a eu accès aux clés secrètes ?

Classiquement, ce problème était résolu en utilisant des lignes de communication protégées et grâce au travail de spécialistes de la cybersécurité mettant en œuvre diverses fonctionnalités de sécurité pour protéger les clés de cryptage.

"Mais voyez-vous, même avec la meilleure sécurité en place, vous ne pourrez jamais être sûr à 100 % que personne n'y a eu accès", souligne le professeur Ekert.

Tout cela a changé lorsque les expériences sur l'inégalité de Bell ont montré que la mécanique quantique comporte une composante intrinsèquement aléatoire. "Une solution consiste à utiliser des clés quantiques. Celles-ci sont générées à l'aide de photons intriqués", explique le professeur Ekert.

Cette méthode de génération d'une clé cryptographique permet de tester si quelqu'un a eu un accès non autorisé en utilisant le théorème de Bell. "Si votre clé viole les inégalités de Bell, vous pouvez être sûr que personne n'a accès à votre clé", explique le professeur Ekert. Grâce à cela, il avait découvert une toute nouvelle façon de sécuriser les communications :la cryptographie quantique.

Cette méthode de cryptage est aujourd’hui plus importante que jamais, car les progrès du développement des ordinateurs quantiques rendront le cryptage classique moins sûr – un problème pour les données sensibles, par exemple dans le secteur médical ou financier. Ici, la cryptographie quantique offre un moyen d'assurer la protection, mais elle ne deviendra probablement pas la norme pour toutes les communications.

"La cryptographie quantique ne remplacera pas complètement les méthodes classiques, car une sécurité parfaite n'est pas toujours nécessaire. Toutes les voitures n'ont pas besoin d'être conformes aux normes de la Formule 1 :il en va de même pour le cryptage", explique le professeur Ekert.

Néanmoins, développer des stratégies de cybersécurité modernes qui s'adaptent au monde technologique complexe d'aujourd'hui constitue un défi majeur pour la science et la société, et l'une des raisons qui ont amené le professeur Ekert à l'OIST.

"Je suis ici pour contribuer à créer une communauté dynamique de quantique et de cybersécurité à Okinawa et je souhaite également contribuer à éduquer les gens sur la cybersécurité et à améliorer la protection des données", déclare le professeur Ekert.

Un deuxième axe sera ses recherches sur le concept de hasard, pour lequel l'OIST offre des conditions idéales. "J'apprécie l'environnement agréable et calme d'Okinawa", souligne le professeur Ekert. S'il est désormais établi que le hasard objectif joue un rôle dans la mécanique quantique, les recherches du professeur Ekert ici à l'OIST abordent une question peut-être relativement fondamentale sur la nature de notre univers :« Je m'intéresse à la raison pour laquelle les choses sont aléatoires », dit-il.