Image: Reto Scheiwiller/Pixabay
Et si l’ordinateur quantique pouvait anéantir tout le système de protection des données en ligne? La menace est prise au sérieux, et de nouvelles pistes de cybersécurité sont envisagées.
C’est l’histoire d’Alice et de Bob, qui aimeraient échanger des messages secrets. Mais la malveillante Ève tente d’intercepter leurs petits mots. On pourrait se croire dans une cour d’école, mais ces trois personnages sont en réalité les figures symboliques de la cryptographie : Alice est l’émettrice, Bob le récepteur et Ève la pirate informatique.
La plupart des transactions sur Internet sont protégées par un protocole nommé RSA (initiales de ses trois inventeurs). Le principe est assez simple : Bob génère deux clés, une de chiffrement qui est accessible à tous, et une de déchiffrement, qu’il garde précieusement. Si Alice veut lui écrire, elle code son message avec la clé publique de chiffrement… Message que seul Bob pourra déchiffrer.
L’algorithme RSA repose sur des mathématiques assez faciles à comprendre – même si on les simplifie ici. Il utilise deux nombres premiers (divisibles seulement par 1 et par eux-mêmes), par exemple 3 et 5. On les multiplie entre eux, ce qui donne la clé publique (ici, 15). Si on prend 15, il est facile de faire l’opération inverse et de trouver les nombres du départ. Mais pour les très grands nombres, retrouver ces facteurs est quasiment impossible ! Pour briser le code, il faut donc connaître un des nombres de départ (sachant qu’il n’y a qu’une solution à cette factorisation). Avec les nombres de plus de 200 chiffres utilisés par le RSA, on estime qu’il faudrait plusieurs milliards d’années aux supercalculateurs pour retrouver les facteurs premiers.
Cette clé est donc bien gardée. Enfin, elle l’était, jusqu’à ce qu’un mathématicien américain, Peter Shor, imagine en 1994 un algorithme permettant de casser ce code assez facilement (tout est relatif) avec un ordinateur quantique. Depuis quelques années, en raison des progrès de la recherche, les gouvernements prennent la menace très au sérieux.
« On est pratiquement certains qu’on aura un jour un ordinateur quantique qui pourra tout casser », affirmait Claude Crépeau, professeur à l’École d’informatique de l’Université McGill, lors du 90e congrès de l’Acfas en mai dernier. Le hic, c’est que cet ordinateur pourra aussi traquer rétrospectivement les secrets d’État, les données industrielles et les communications bancaires, puisque tous ces échanges cryptés peuvent être mémorisés dès aujourd’hui pour être décryptés et lus plus tard.
Il y a donc urgence ! Pour sécuriser les données, deux pistes sont envisagées : la première, étrangement nommée cryptographie post-quantique, repose sur l’espoir qu’il existe des algorithmes de chiffrement capables de résister aux ordinateurs quantiques. L’Institut national des normes et de la technologie américain a organisé un concours et a annoncé les grands gagnants à l’été 2022. Les protocoles vainqueurs semblent solides…
Cryptographie quantique
Jusqu’à preuve du contraire, estime Claude Crépeau ! « La factorisation des grands nombres est un problème mathématique sur lequel on travaille depuis 2000 ans. Le problème des treillis, sur lequel reposent ces protocoles, a été inventé il y a 20 ans. On n’y a pas tant réfléchi… Cela m’inquiète. » Il privilégie donc la deuxième piste : la cryptographie quantique, conceptualisée initialement par son collègue Gilles Brassard, de l’Université de Montréal, dès les années 1980. Celle-ci utilise les phénomènes quantiques, et plus particulièrement les photons individuels, pour échanger la clé secrète (on parle de distribution de clé quantique, ou QKD en anglais).
Car il existe un principe fondamental de la mécanique quantique, imparable : si l’on mesure un état quantique, on le détruit. Ainsi, si Ève tente d’espionner Alice et Bob, ces derniers le sauront. « Les photons uniques sont les meilleurs supports pour la communication quantique, car ils peuvent être manipulés à température ambiante, ils sont robustes dans l’espace libre et dans les fibres optiques. Quand ils voyagent, leur état quantique est préservé », explique Stefania Sciara, chercheuse postdoctorale en optique non linéaire à l’Institut national de la recherche scientifique à Varennes, dans le laboratoire de Roberto Morandotti.
La QKD s’appuie sur l’envoi par Alice d’un signal aléatoire, une longue suite de photons émis un par un, dont la polarisation est en état 0 ou 1. Quand Bob les réceptionne et les mesure, il obtient pour chaque photon une valeur 0 ou 1 de façon aléatoire, en raison de la superposition d’états. Si bien que, dans 50 % des cas, la valeur est différente de celle émise au départ par Alice. Alice et Bob s’échangent publiquement leurs deux séquences, mais ne conservent que les bits identiques, ce qui constitue leur clé de chiffrement. Cette clé est inviolable. En outre, si Ève intercepte un des photons, elle est obligée de mesurer son état et donc de détruire le signal, ce qui alerte Alice et Bob.
Cette technologie est déjà utilisée dans certains réseaux de fibres optiques, avec un record de 830 km de distance, publié en 2022 par une équipe chinoise. Certains tests sont aussi faits au Québec. Hélas, le signal s’atténue avec la distance, faute de « répéteurs » assurant le relais (l’information quantique ne peut pas être copiée). « C’est encore un peu tôt pour étendre ces technologies à grande échelle, mais dans 20 ou 30 ans, ce sera possible », estime Stefania Sciara.
Pour augmenter les distances de transmission, les satellites quantiques entrent en jeu, le signal se propageant mieux dans l’air que dans les fibres optiques. La Chine a lancé le premier en 2016 et a effectué une distribution de clé entre deux sites distants de 1200 km. L’Agence spatiale canadienne lancera son propre satellite en 2024 ou 2025. « La mission QEYSSat [pour quantum encryption and science satellite] a pour but de faire la démonstration de QKD et de communications sécurisées. La source de photons sera au sol et le récepteur quantique sera sur le satellite », explique Katanya Kuntz, coordinatrice de l’équipe scientifique de la mission et chercheuse à l’Université de Waterloo.
Une vingtaine de pays ont récemment annoncé leur volonté d’avoir des satellites quantiques, explique-t-elle. « Dans un deuxième temps, QEYSSat aura un volet de recherche fondamentale qui visera à comprendre les effets quantiques sur de très longues distances et à grande vitesse. On cherche toujours à réconcilier mécanique quantique et relativité générale, et les satellites quantiques peuvent nous permettre d’explorer ces deux régimes. »
