Les ordinateurs quantiques menacent les cryptages basés sur des algorithmes existants, qui sécurisent actuellement les transferts de données contre les écoutes clandestines et la surveillance. Ils ne sont pas encore assez puissants pour les briser, mais c'est une question de temps. Si un ordinateur quantique parvient à trouver les algorithmes les plus sécurisés, il laisse la porte ouverte à toutes les données connectées via Internet. Cela a accéléré le développement d'une nouvelle méthode de cryptage basée sur les principes de la physique quantique.

Mais pour réussir, les chercheurs doivent surmonter l’un des défis de la mécanique quantique :assurer la cohérence sur de plus longues distances. Jusqu'à présent, la distribution variable continue des clés quantiques a mieux fonctionné sur de courtes distances.

"Nous avons obtenu un large éventail d'améliorations, notamment en ce qui concerne la perte de photons en cours de route. Dans cette expérience, publiée dans Science Advances , nous avons distribué en toute sécurité une clé chiffrée quantique sur 100 kilomètres via un câble à fibre optique. Il s'agit d'une distance record avec cette méthode", déclare Tobias Gehring, professeur agrégé au DTU, qui, avec un groupe de chercheurs du DTU, vise à pouvoir diffuser des informations cryptées quantiquement dans le monde entier via Internet.

Clés secrètes des états quantiques de la lumière

Lorsque des données doivent être envoyées de A à B, elles doivent être protégées. Le cryptage combine les données avec une clé sécurisée distribuée entre l'expéditeur et le destinataire afin que tous deux puissent accéder aux données. Un tiers ne doit pas être en mesure de comprendre la clé lors de sa transmission; sinon, le cryptage sera compromis. L'échange de clés est donc essentiel pour chiffrer les données.

La distribution de clés quantiques (QKD) est une technologie avancée sur laquelle les chercheurs travaillent pour des échanges cruciaux. La technologie assure l'échange de clés cryptographiques en utilisant la lumière provenant de particules de mécanique quantique appelées photons.

Lorsqu'un expéditeur envoie des informations codées en photons, les propriétés mécaniques quantiques des photons sont exploitées pour créer une clé unique pour l'expéditeur et le destinataire. Les tentatives faites par d’autres pour mesurer ou observer des photons dans un état quantique changeront instantanément leur état. Par conséquent, il n'est physiquement possible de mesurer la lumière qu'en perturbant le signal.

"Il est impossible de faire une copie d'un état quantique, comme lorsqu'on fait une copie d'une feuille A4 :si vous essayez, ce sera une copie de qualité inférieure. C'est ce qui garantit qu'il n'est pas possible de copier la clé. Cela peut protéger les infrastructures critiques telles que les dossiers de santé et le secteur financier ne soient pas piratées", explique Gehring.

Fonctionne via l'infrastructure existante

La technologie CV QKD peut être intégrée à l'infrastructure Internet existante.

"L'avantage de l'utilisation de cette technologie est que nous pouvons construire un système qui ressemble à celui sur lequel repose déjà la communication optique."

L’épine dorsale d’Internet est la communication optique. Il fonctionne en envoyant des données via une lumière infrarouge traversant des fibres optiques. Ils fonctionnent comme des guides de lumière posés dans des câbles, garantissant que nous pouvons envoyer des données dans le monde entier. Les données peuvent être envoyées plus rapidement et sur de plus longues distances via des câbles à fibres optiques, et les signaux lumineux sont moins sensibles aux interférences, appelées bruit en termes techniques.

"Il s'agit d'une technologie standard utilisée depuis longtemps. Vous n'avez donc pas besoin d'inventer quoi que ce soit de nouveau pour pouvoir l'utiliser pour distribuer des clés quantiques, et cela peut rendre la mise en œuvre beaucoup moins coûteuse. Et nous pouvons opérer à température ambiante", explique Gehring. "Mais la technologie CV QKD fonctionne mieux sur des distances plus courtes. Notre tâche est d'augmenter la distance. Et les 100 kilomètres sont un grand pas dans la bonne direction."

Bruit, erreurs et assistance du machine learning

Les chercheurs ont réussi à augmenter la distance en s'attaquant à trois facteurs qui limitent leur système dans l'échange de clés chiffrées quantiquement sur de plus longues distances :

L’apprentissage automatique a permis de mesurer plus tôt les perturbations affectant le système. Le bruit, comme on appelle ces perturbations, peut provenir, par exemple, d'un rayonnement électromagnétique, qui peut déformer ou détruire les états quantiques transmis. La détection plus précoce du bruit a permis de réduire plus efficacement son effet correspondant.

De plus, les chercheurs sont devenus meilleurs dans la correction des erreurs qui peuvent survenir en cours de route et qui peuvent être causées par du bruit, des interférences ou des imperfections du matériel.

"Dans nos prochains travaux, nous utiliserons la technologie pour établir un réseau de communication sécurisé entre les ministères danois afin de sécuriser leurs communications. Nous tenterons également de générer des clés secrètes entre, par exemple, Copenhague et Odense pour permettre aux entreprises ayant des succursales dans les deux villes de établir une communication à sécurité quantique", déclare Gehring.

Nous ne savons pas exactement ce qui se passe, pour le moment

Le concept QKD a été développé en 1984 par Bennett et Brassard, tandis que le physicien et pionnier de l'informatique canadien Artur Ekert et ses collègues ont réalisé la première mise en œuvre pratique de QKD en 1992. Leur contribution a été cruciale pour le développement de protocoles QKD modernes, un ensemble de règles, procédures ou conventions qui déterminent la manière dont un appareil doit effectuer une tâche.

QKD est basé sur une incertitude fondamentale dans la copie des photons dans un état quantique. Les photons sont les particules de mécanique quantique qui composent la lumière.

Les photons dans un état quantique comportent une incertitude fondamentale, ce qui signifie qu'il n'est pas possible de savoir avec certitude si le photon est un ou plusieurs photons collectés dans l'état donné, également appelés photons cohérents. Cela empêche un pirate informatique de mesurer le nombre de photons, ce qui rend impossible la création d'une copie exacte d'un état.

Ils comportent également un caractère aléatoire fondamental car les photons sont dans plusieurs états simultanément, également appelés superposition. La superposition de photons s'effondre dans un état aléatoire lorsque la mesure a lieu. Cela rend impossible de mesurer précisément dans quelle phase ils se trouvent en superposition.

Dans l’ensemble, il devient presque impossible pour un pirate informatique de copier une clé sans introduire d’erreurs, et le système saura si un pirate informatique tente de s’introduire par effraction et pourra s’arrêter immédiatement. En d'autres termes, il devient impossible pour un pirate informatique de d'abord voler la clé, puis d'éviter le verrouillage de la porte lorsqu'il tente de mettre la clé dans la serrure.

CV QKD se concentre sur la mesure des propriétés fluides des états quantiques des photons. Cela peut être comparé à transmettre des informations dans un flux de toutes les nuances de couleurs au lieu de transmettre des informations étape par étape dans chaque couleur.