thumb|Laser optique
La cryptographie quantique consiste à utiliser les propriétés de la physique quantique pour établir des protocoles de cryptographie qui permettent d'atteindre des niveaux de sécurité qui sont prouvés ou conjecturés non atteignables en utilisant uniquement des phénomènes classiques (c'est-à-dire non-quantiques). Un exemple important de cryptographie quantique est la distribution quantique de clés, qui permet de distribuer une clé de chiffrement secrète entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité de la transmission grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l'information. Cette clé secrète peut ensuite être utilisée dans un algorithme de chiffrement symétrique, afin de chiffrer et déchiffrer des données confidentielles..
Elle ne doit pas être confondue avec la cryptographie post-quantique qui vise à créer des méthodes de cryptographie résistante à un attaquant possédant un calculateur quantique.
Généralités La communication de données confidentielles par un canal de transmission classique (par exemple Internet) nécessite l'utilisation d'algorithmes de cryptographie classiques : algorithmes de chiffrement asymétrique tels que RSA, ou de chiffrement symétrique (Triple DES, AES). Dans le cas du chiffrement symétrique, les deux interlocuteurs doivent posséder a priori une clé secrète, c'est-à-dire qui ne soit connue que d'eux.
Se pose alors la question suivante : comment transmettre une clé de chiffrement entre deux interlocuteurs (1) à distance, (2) à la demande, et (3) avec une sécurité démontrable ? Actuellement, la technique se rapprochant au mieux de ces trois critères est une transmission physiquement sécurisée, de type valise diplomatique.
La cryptographie quantique cherche à répondre à ces trois critères en transmettant de l'information entre les deux interlocuteurs en utilisant des objets quantiques, et en utilisant les lois de la physique quantique et de la théorie de l'information pour détecter tout espionnage de cette information. S'il n'y a pas eu espionnage, une clé parfaitement secrète peut être extraite de la transmission, et celle-ci peut être utilisée dans tout algorithme de chiffrement symétrique afin de transmettre un message.
Pourquoi utiliser le système de cryptographie quantique pour transmettre une clé, et non le message en lui-même ?
Pour deux raisons essentielles : les bits d'informations communiqués par les mécanismes de la cryptographie quantique ne peuvent être qu'aléatoires. Ceci ne convient pas pour un message, mais convient parfaitement bien à une clé secrète, qui doit être aléatoire ; même si le mécanisme de la cryptographie quantique garantit que l'espionnage de la communication sera toujours détecté, il est possible que des bits d'informations soient interceptés par l'espion avant que celui-ci ne soit détecté. Ceci est inacceptable pour un message, mais sans importance pour une clé aléatoire qui peut être simplement jetée en cas d'interception.
Cryptographie quantique et masque jetable
Pour assurer une confidentialité maximale aux deux interlocuteurs, il faut que la sécurité de l'algorithme de cryptographie classique soit aussi élevée que celle de la distribution quantique. Or, la sécurité de la majorité des algorithmes de chiffrement symétrique repose sur des considérations liées au temps nécessaire au « cassage » de la clé, et non sur des démonstrations mathématiques.
En revanche, Claude Shannon a montré en 1948 qu'il était possible de démontrer formellement la sécurité d'un ensemble d'algorithmes de cryptographie, parmi lesquels le plus simple est le codage à masque jetable, ou chiffre de Vernam. En combinant cet algorithme avec les techniques de cryptographie quantique, il est ainsi possible de démontrer la sécurité globale de la transmission d'un message confidentiel.
Ce niveau de sécurité est souvent nommé sécurité inconditionnelle, dans la mesure où aucune hypothèse n'est faite sur les capacités physiques de l'espion (on suppose simplement qu'elles obéissent aux lois de la physique), par opposition à la sécurité calculatoire des algorithmes de cryptographie classique, qui prend en compte le « réalisme » des capacités calculatoires de l'espion.
Historique Contexte historique et trajectoire L'histoire du cryptage des données commence avec les civilisations anciennes qui utilisaient des méthodes simples comme les codes de substitution pour coder les messages. Au fil du temps, des techniques plus sophistiquées ont été mises au point, telles que le chiffre de César et le chiffre de Vigenère.
L’utilisation de ces techniques s’illustre au cours de l’histoire souvent dans un contexte diplomatique et militaire (A Brief History of Cryptography, William A. Kotas). Par exemple, en 1917, l’interception et déchiffrement du télégramme Zimmermann finit de provoquer l’entrée en guerre des États-Unis dans la Première Guerre mondiale.
À l'ère moderne, l'invention de machines électromécaniques comme Enigma pendant la Seconde Guerre mondiale a révolutionné le cryptage. Le développement d'algorithmes informatiques tels que le Data Encryption Standard (DES) et l'Advanced Encryption Standard (AES) a encore amélioré les capacités de cryptage.
L'avènement de l'informatique quantique et ses enjeux a conduit à l'exploration et au développement de techniques de cryptage quantique.
Émergence du chiffrement quantique Au début des années 1970, Stephen Wiesner, un chercheur en physique financé en partie par le National Science Foundation (une agence indépendante du gouvernement des États-Unis qui soutient la recherche fondamentale et l'éducation) a émis pour la première fois, dans son article Conjugate Coding, l'idée de pouvoir utiliser les phénomènes quantiques dans des applications liées à la sécurité.
Cet article sera d’abord rejeté par l'IEEE, en conséquence de la nature « non conventionnelle » de l'article et du domaine relativement nouveau et peu familier de la cryptographie quantique à l'époque (Stephen Wiesner | My Quantum Thoughts (wordpress.com)). Il ne sera finalement publié qu'en 1983 dans SIGACT News, une organisation internationale de publication d’articles de recherche dans les sciences computationnelles.
À la suite de la publication de cet article, Charles H. Bennett et Gilles Brassard proposent en 1984 la première technique de cryptographie quantique proprement dite. Leur article, intitulé, « Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing » et financé en grande partie par IBM Research, expose les fondements du principe de la distribution quantique des clés (QKD en anglais), un protocole de partage des clés cryptographiques.
En 1991, Artur Ekert, alors doctorant au Wolfson College de l'université d'Oxford, développe un nouveau protocole de cryptographie quantique, fondée sur les corrélations quantiques pouvant exister entre deux photons, un phénomène nommé intrication quantique.
Ces deux protocoles, généralement abrégés en BB84 et E90, sont reconnus comme les deux protocoles fondateurs de la cryptographie quantique moderne. Les 2 protocoles actuels les plus utilisés, SARG04 (2004) et B92+, sont développés à partir de ceux-ci.
Protocole général de cryptographie quantique
Situation de départ Lors d'un protocole de cryptographie quantique, deux interlocuteurs distants (généralement nommés Alice et Bob) disposent : d'objets quantiques, c'est-à-dire d'objets physiques qui se comportent selon les lois de la physique quantique. En pratique, ces objets sont toujours des impulsions lumineuses (des photons), qui peuvent prendre plusieurs formes : photons uniques, états cohérents, paires de photons intriqués ; d'un canal quantique, qui permet le transit des impulsions lumineuses. Il peut s'agir d'une fibre optique, qui permet facilement de guider la lumière, ou de l'air libre, auquel cas Alice et Bob doivent se faire face ; enfin, d'un canal classique de communication (comme Internet), qui doit être authentifié : Alice doit être certaine qu'elle parle bien à Bob.
Entre Alice et Bob se trouve un espion, aussi appelé adversaire, qu'il est d'usage de nommer Eve (de l'anglais eavesdropper). Eve a accès à tout ce qui transite entre Alice et Bob, classique ou quantique, et n'est limitée que par les lois de la physique. En revanche, elle ne peut pas accéder aux systèmes d'Alice et de Bob, qui sont supposés physiquement sécurisés.
Transmission de l'information Alice code tout d'abord une information aléatoire sur chaque impulsion lumineuse, puis l'envoie à Bob par le canal quantique. Celui-ci mesure alors l'information que porte l'impulsion qu'il a reçue. Après la transmission, Bob possède donc un ensemble de mesures qui sont corrélées aux données envoyées par Alice, mais qui ont pu être espionnées par Eve.
Détection de l'espion et preuves de sécurité L'une des propriétés fondamentales de la cryptographie quantique est la capacité des deux interlocuteurs à détecter la présence de l'espion, mais aussi à évaluer précisément la quantité d'information que celui-ci a interceptée.
Ceci résulte de deux aspects fondamentaux de la mécanique quantique : D'après le théorème de non-clonage, il est impossible de dupliquer un objet quantique inconnu ; Le postulat de réduction du paquet d'onde entraîne que réaliser une mesure sur un objet quantique perturbe les propriétés quantiques de l'objet en question. Si Eve cherche à obtenir de l'information sur l'état de l'objet qui transite par le canal quantique, elle introduit des anomalies (bruit ou erreurs), qui peuvent être détectées par Alice et Bob.
Il est possible d'établir formellement un lien entre la quantité d'anomalies et la quantité d'information interceptée par Eve, grâce à des démonstrations mathématiques appelées preuves de sécurité, qui combinent les lois de la physique quantique et de la théorie de l'information.
Information secrète résiduelle Alice et Bob évaluent tout d'abord le niveau d'erreurs et de bruit séparant leurs deux ensembles de données. Les différences entre leurs données peuvent provenir de : l'intervention d'Eve, qui rajoute des erreurs et du bruit ; les erreurs et le bruit de fond, qui ne peuvent jamais être évités complètement.
Néanmoins, puisque les erreurs de communication et les effets de l'observation d'Eve ne peuvent pas être distingués, Alice et Bob doivent supposer que toutes les incohérences sont dues à l'action d'un espion.
Ensuite, grâce aux preuves de sécurité et à ce niveau de bruit, Alice et Bob peuvent évaluer la quantité d'information qui a été interceptée par Eve, notée . En parallèle, la théorie de l'information leur permet d'évaluer la quantité d'information qu'ils partagent après la transmission, .
Finalement, si la quantité d'information reste supérieure à zéro, c'est-à-dire que le niveau d'espionnage reste en dessous d'un certain seuil, alors une clé secrète de taille maximale peut être extraite de la transmission.
Dans le cas contraire, aucune extraction n'est possible, et l'échange doit donc être interrompu.
Extraction de la clé S'il reste un avantage à Alice et Bob après l'évaluation de l'information secrète résiduelle, ils peuvent lancer l'extraction de la clé proprement dite. Souvenons-nous qu'Alice et Bob ne partagent pas encore une clé, mais des données corrélées.
L'extraction est composée de deux étapes : la réconciliation et l'amplification de confidentialité.
Réconciliation La réconciliation consiste à générer une chaîne de bits partagée par Alice et Bob à partir des données corrélées, en particulier à l'aide d'un algorithme de correction d'erreurs.