Qu’est-ce que la cryptographie quantique et comment ça fonctionne ?

Et si la prochaine révolution technologique pouvait rendre inutiles tous nos systèmes de sécurité actuels ?

Découvrez comment la cryptographie quantique pourrait changer radicalement notre façon de protéger nos données.

Cryptographie Quantique : qu’est-ce que c’est ?

La cryptographie quantique est une technologie qui permet de sécuriser les informations sensibles en utilisant les principes fondamentaux de la physique quantique. Pour faire simple, elle exploite les “propriétés étonnantes” des particules, comme les photons, ces minuscules grains de lumière, afin d’assurer un chiffrement inviolable des données et donc garantir la confidentialité absolue des échanges numériques.

Mais alors pourquoi parle-t-on de cryptographie quantique aujourd’hui ?

C’est une question totalement légitime, et la raison est simple : les progrès rapides dans le domaine de l’informatique quantique menacent la sécurité actuelle de nos systèmes cryptographiques classiques. Vous devez savoir qu’un ordinateur quantique, contrairement aux ordinateurs classiques que vous utilisez au quotidien, effectue simultanément un nombre énorme de calculs en exploitant les effets de la mécanique quantique. En fait, cela signifie qu’il pourrait très prochainement décrypter en quelques secondes ce qu’un superordinateur classique mettrait plusieurs années / décennies à casser.

Autrement : toutes vos données – allant de vos échanges personnels jusqu’aux transactions financières ou secrets industriels – pourraient être exposées à des risques immenses.

Vous vous doutez bien que face à cette menace pour le moins grandissante, la nécessité d’adopter des méthodes de cryptographie résistantes devient donc de plus en plus évidente. C’est précisément ici que la cryptographie quantique intervient. Et contrairement aux méthodes classiques, elle n’est pas fondée sur la difficulté mathématique de résoudre un problème complexe.

À la place, elle tire parti de phénomènes physiques quantiques tels que la superposition et l’intrication qu’on vous propose de découvrir dans les prochaines parties !  

Cryptographie Quantique : un lien étroit avec la physique quantique

Si la cryptographie quantique intrigue autant, c’est avant tout parce qu’elle repose sur des notions issues de la physique quantique. Et le fait d’observer le comportement des particules à l’échelle atomique permet justement de comprendre comment tout cela devient possible.

À cette échelle microscopique, où l’on analyse des particules comme les photons ou les électrons, les règles traditionnelles de la physique semblent totalement bouleversées. 

La superposition quantique :

Premièrement, les particules présentent ce qu’on appelle la superposition quantique : il s’agit d’un état étonnant où une particule peut être simultanément dans plusieurs états différents.

Ici, une particule agissant comme un bit classique (une unité d’information qui vaut 1 ou 0 exclusivement) devient un qubit quantique capable d’être simultanément à la fois en état 0 et en état 1. Cet état unique du qubit pose les fondations de nouvelles possibilités en matière de cryptographie.

Pour mieux vous représenter cette notion, on va s’intéresser à une expérience célèbre appelée expérience des “fentes de Young”, également connue sous le nom de double « slit experiment ».

L’expérience des “fentes de Young” : 

Lorsque l’on projette des photons, ces particules de lumière, un par un sur une plaque munie de deux fentes, étonnamment, chaque photon se comporte comme si, d’une certaine manière, il passait simultanément par les deux fentes pour former un motif d’interférences typique d’ondes lumineuses :

Pour vous l’expliquer simplement, cette expérience nous montre que la nature quantique de la lumière (et plus largement de la matière) défie notre intuition classique : un photon ne choisit pas un chemin précis tant qu’on ne le mesure pas, il explore toutes les possibilités à la fois.

Ce type d’expérience nous démontre clairement que chaque particule existe dans plusieurs états de manière simultanée, tant qu’elle n’est pas observée directement.

Le chat de Schrödinger : 

Un autre exemple emblématique est celui du célèbre chat de Schrödinger. On parle ici d’un scénario mental qui décrit un chat enfermé dans une boîte avec un mécanisme quantique qui peut provoquer sa mort ou le laisser vivre.

Tant que l’on n’ouvre pas la boîte, selon la mécanique quantique, le chat est à la fois vivant et mort : il se trouve en superposition de ces deux états extrêmes.

Ce n’est qu’à partir du moment où l’on observe l’intérieur de la boîte que l’on force la réalité à choisir entre un état unique ou l’autre. C’est aujourd’hui l’un des exemples de ce type les plus connus, enseigné notamment dans de nombreuses écoles.

Vous l’aurez probablement compris : l’acte même d’observer perturbe de manière irréversible l’état quantique du système 

Comment fonctionne concrètement la cryptographie quantique ?

Actuellement, la plupart des échanges sont chiffrés à l’aide de protocoles classiques reposant sur des bits, comme” RSA” ou “AES”. Un bit classique, c’est-à-dire l’unité basique d’information numérique, possède uniquement deux états possibles : 0 ou 1. Oui, ces systèmes sont très puissants, mais ces derniers deviennent extrêmement vulnérables face à un ordinateur quantique. En effet, grâce à leur puissance phénoménale et à des algorithmes comme celui de Shor, ceux-ci pourraient casser très rapidement ces protocoles traditionnels jugés jadis invincibles.

Des études récentes suggèrent qu’il y a « 50% de chances qu’un ordinateur quantique puisse briser le chiffrement RSA-2048 d’ici quinze ans, et jusqu’à 99% de chances d’ici 2051”.

Et donc, face à cette menace imminente, la cryptographie quantique propose une alternative radicalement différente, s’appuyant non plus sur des bits classiques, mais sur des particules quantiques appelées « qubits ». Comme mentionné plus haut, contrairement au bit, le qubit peut exister simultanément sous forme de 0 et 1 grâce au principe de superposition quantique. Généralement, ce sont des photons – les particules de lumière – qui jouent ce rôle, grâce à une caractéristique physique appelée “polarisation”.

L’intrication quantique  :

Une autre propriété intéressante en cryptographie quantique est celle de l’intrication. Avec l’intrication, deux particules ayant interagi une fois restent incroyablement liées : même séparées par une distance considérable, si vous modifiez l’état quantique de l’une, l’état de l’autre changera instantanément, quelle que soit la distance qui les sépare.

Clairement, ce phénomène défie notre façon habituelle de penser l’espace et le temps, mais surtout, il rend possible la création de mécanismes sécurisés extrêmement fiables puisque toute tentative pour « espionner » ou observer les particules modifie obligatoirement leur état.

En deux mots :  c’est précisément cette impossibilité de mesurer sans affecter l’état des particules qui garantit l’extrême sécurité des communications. 

Revenons désormais sur un autre mécanisme central de la cryptographie quantique : La distribution quantique de clés (QKD – Quantum Key Distribution)

La distribution quantique de clés : c’est quoi ? 

La distribution quantique de clés (QKD – Quantum Key Distribution) permet à deux utilisateurs de partager une clé secrète avec une sécurité absolue en échangeant une série de photons polarisés. Parmi les nombreux protocoles existants, c’est sûrement BB84, développé en 1984 par Bennett et Brassard, qui est le plus célèbre.

Alors oui, des variantes telles que B92 ou encore E91 existent également, mais reposent globalement sur les mêmes propriétés quantiques fondamentales.

Pour mieux comprendre le fonctionnement de ce protocole BB84, imaginons concrètement deux utilisateurs nommés : 

• A (l’expéditrice)
• B (le destinataire)

Ces derniers souhaitant protéger leurs communications contre toute tentative d’interception extérieure, par une espionne nommée C. Pour y parvenir, A encode chaque bit d’information dans la polarisation de photons individuels envoyés via une fibre optique. Ces photons transitent vers B, qui les mesure à son tour au moyen de filtres aléatoires permettant de déterminer leur polarisation.

Cependant, la particularité cruciale de cette technologie se trouve dans sa capacité à détecter toute intrusion immédiatement. Et selon les règles incontournables de la physique quantique, dès que C tente d’intercepter ou même d’observer un photon, son état se modifie automatiquement de façon irréversible. Ainsi, en comparant une partie de leurs résultats par canal classique (un simple appel téléphonique ou message non chiffré), A et B verront rapidement apparaitre des erreurs indiquant avec certitude qu’une tentative d’écoute ou d’interception a eu lieu.

Cela est dû à un autre principe fondamental : l’impossibilité absolue de cloner un état quantique (principe de non-clonage). C ne peut donc ni copier les photons pour les analyser discrètement plus tard, ni observer leur état sans en altérer irrémédiablement les propriétés initiales.

Voici une autre illustration qui devrait vous aider à comprendre ce concept : 

Oui, la cryptographie quantique offre donc un avantage pour le moins considérable. Pour être plus précis, on a ici une sécurité dite « inconditionnelle » qui repose sur des lois physiques immuables, plutôt que sur des schémas mathématiques, comme c’est le cas dans les systèmes cryptographiques classiques.

Cryptographie quantique vs cryptographie post-quantique

Aujourd’hui, on retrouve deux concepts de cybersécurité particulièrement importants : 

• la cryptographie quantique
• la cryptographie post-quantique

Bien que toutes deux aient pour objectif commun de résister aux attaques issues des futurs ordinateurs quantiques surpuissants, chacune suit une voie très différente.

D’un côté, vous retrouvez la cryptographie quantique, que nous avons abordée jusqu’ici, qui garantit la sécurité en s’appuyant sur les lois quantiques physiques fondamentales (voir les précédents chapitres pour plus de détails).

De l’autre côté, la cryptographie post-quantique adopte un “aspect” totalement différent. Il ne s’agit plus ici d’exploiter les lois physiques, mais plutôt de faire évoluer d’un cran les algorithmes mathématiques classiques déjà en utilisation aujourd’hui. En fait, l’objectif ici est de développer des algorithmes informatiques capables de résister aux énormes capacités de traitement des futurs ordinateurs quantiques en se basant sur la difficulté extrême de certains problèmes mathématiques spécifiques.

Oui, la cryptographie post-quantique reste dans une logique purement algorithmique, mais avec un niveau de complexité suffisamment élevé pour tenir tête aux capacités de déchiffrage infinies offertes par l’univers quantique.

Des exemples concrets existent déjà et sont actuellement étudiés intensivement par les organisations internationales spécialisées, comme le NIST (National Institute of Standards and Technology), parmi eux : 

• les algorithmes basés sur les réseaux euclidiens (« lattice-based cryptography »)
• les signatures numériques résistantes aux attaques quantiques comme celles fondées sur des fonctions de hachage (« hash-based cryptography »)
• les méthodes de chiffrement utilisant les codes correcteurs d’erreurs (« code-based cryptography »).

La différence entre ces deux stratégies (cryptographie quantique vs post-quantique) de sécurisation des données tient donc en un changement important : 

• d’un côté, la sécurité quantique est ancrée directement dans les lois incontournables de la physique
• de l’autre, la sécurité post-quantique repose entièrement sur des problèmes mathématiques spécialement pensés pour contrer les moyens techniques que les ordinateurs quantiques offriront bientôt.

Mais la bonne nouvelle étant que ces deux stratégies pourraient très bien se compléter efficacement. Par exemple, une approche consisterait à utiliser la distribution quantique de clés (QKD) pour sécuriser les échanges initiaux des clés cryptographiques, tout en utilisant ensuite des solutions post-quantiques pour assurer le chiffrement des données elles-mêmes.

Dans ce cas, on obtiendrait à la fois le haut niveau de sécurité physique garanti par les lois de la mécanique quantique et la puissance mathématique offerte par les algorithmes classiques résistants à la puissance quantique.

Applications concrètes de la cryptographie quantique 

C’est un fait, la cryptographie quantique est encore très abstraite et futuriste… Mais sachez qu’elle commence tout de même à trouver de nombreuses applications concrètes, avec des avancées tangibles dans plusieurs secteurs.

Communications ultra-sécurisées : 

Tout d’abord, les communications ultra-sécurisées constituent probablement l’application la plus avancée et la plus connue de la cryptographie quantique. Certains projets ambitieux sont d’ores et déjà en action, tels que le réseau ParisRegionQCI, en France, qui réunit plusieurs acteurs industriels et universitaires autour d’un réseau quantique sécurisé utilisant les infrastructures existantes en fibre optique. Grâce à la distribution quantique de clés (QKD), ces échanges deviennent totalement inviolables, empêchant toute menace d’interception externe sur des données sensibles.

La finance : 

Le secteur financier est aussi en première ligne…

Les banques et institutions financières manipulent au quotidien des données extrêmement sensibles. Informations personnelles, transactions monétaires, messages confidentiels : dans ce contexte, la cryptographie quantique offre une protection contre toute menace future liée aux ordinateurs quantiques.

Le fait d’intégrer progressivement des solutions de chiffrement quantique, les banques anticipent ainsi les prochaines décennies de sécurité informatique.

Le cloud computing

Le cloud computing, où la sécurité des données est un enjeu absolument vital, pourrait aussi bénéficier fortement des avancées quantiques. Il faut savoir que les centres de données et plateformes cloud traitent chaque jour des millions d’informations stratégiques émises par leurs utilisateurs.

Grâce à la cryptographie quantique, il deviendrait possible de protéger non seulement le stockage côté serveur, mais aussi de sécuriser efficacement les canaux de communication reliant les utilisateurs au cloud.

La défense et la sécurité, et la santé 

Un autre aspect intéressant n’est autre que la défense et la sécurité nationale. Quand il s’agit de transmettre des informations classifiées, des ordres militaires ou d’assurer des communications internes contre toute tentative d’espionnage industriel ou géopolitique, l’enjeu de la sécurité devient alors extrêmement important.

Certains gouvernements investissent d’ailleurs massivement dans cette technologie, voyant en elle un vecteur essentiel de leur souveraineté numérique.

Un autre secteur est celui de la santé. En effet, la protection des données médicales électroniques est devenue indispensable, aussi bien pour préserver la confidentialité des patients que pour lutter contre les cyberattaques. 

lUne technologie pas encore au point ? 

Les promesses… et les limites actuelles de la cryptographie quantique

La cryptographie quantique fait rêver. Elle semble être la solution parfaite pour protéger nos données dans un futur proche. Mais en pratique, tout n’est pas encore si simple. Cette technologie, aussi impressionnante soit-elle, doit encore surmonter plusieurs obstacles avant de pouvoir être utilisée partout et par tous.

Le premier souci, c’est la vitesse. Aujourd’hui, envoyer des données de façon quantique prend plus de temps que par les moyens classiques. Les systèmes actuels ne sont pas encore assez rapides pour suivre le rythme des besoins modernes.

Autre problème : la distance. La cryptographie quantique fonctionne bien, mais seulement sur quelques centaines de kilomètres. Au-delà, il faut ajouter des relais ou passer par des satellites, ce qui complique tout.

Et puis il y a la question du coût. Pour utiliser cette technologie à grande échelle, il faudrait adapter nos réseaux et investir dans du matériel très spécifique. C’est cher, et ce n’est pas encore prêt pour un usage grand public.

Mais tout cela ne décourage pas les chercheurs. Partout dans le monde, des équipes travaillent pour améliorer cette technologie. Elles cherchent à la rendre plus rapide, à augmenter les distances possibles et à faire baisser les coûts. Le but : rendre la cryptographie quantique accessible à tous, dans un futur pas si lointain.

Ce n’est donc pas encore parfait, mais les choses avancent. Et chaque progrès nous rapproche un peu plus d’un monde numérique vraiment sécurisé.

Informatique quantique x Blockchain : un avenir encore incertain ?

Avec l’arrivée annoncée des ordinateurs quantiques, une question importante commence à se poser : la technologie blockchain est-elle vraiment prête à affronter ce nouveau type de menace ?

Pour l’instant, la réponse est plutôt inquiétante. Même si les blockchains actuelles semblent très sûres grâce à leurs systèmes de chiffrement modernes, elles pourraient devenir vulnérables face à la puissance d’un ordinateur quantique.

Le cœur du problème, ce sont les fameuses clés publiques. Ce sont elles qui permettent de vérifier qu’une personne a bien le droit d’utiliser un portefeuille de cryptomonnaie. Aujourd’hui, il est impossible de deviner une clé privée à partir de sa clé publique avec un ordinateur classique, car cela prendrait des centaines d’années. Mais avec un ordinateur quantique, le calcul utilisé pour le défrichage pourrait en théorie se faire en quelques minutes grâce à un algorithme très puissant.

Concrètement, cela veut dire que si quelqu’un possède votre adresse publique, il pourrait un jour retrouver votre clé privée... et donc prendre le contrôle de vos fonds. Cela remettrait en cause toute la sécurité des blockchains comme Bitcoin ou Ethereum, et poserait de gros risques pour l’économie numérique mondiale.

Heureusement, la communauté technique s’y prépare. Des chercheurs et des développeurs travaillent déjà sur la cryptographie post-quantique. Le but ? Trouver de nouveaux systèmes de chiffrement capables de résister aux ordinateurs quantiques. Pour Bitcoin, par exemple, des idées sont déjà proposées dans des documents appelés « Bitcoin Improvement Proposals » (BIPs).

Plusieurs pistes prometteuses existent, comme la cryptographie basée sur des réseaux mathématiques très complexes (appelée « lattice-based »), ou encore les signatures hash-based que l’on a évoqué plus haut.

FAQ – Questions fréquemment posées sur la cryptographie quantique

1. Qu’est-ce que la cryptographie quantique ?
La cryptographie quantique est une technologie qui sécurise les données à l’aide des lois de la physique quantique. Elle repose sur des particules comme les photons pour garantir un chiffrement inviolable.

2. Pourquoi parle-t-on de cryptographie quantique aujourd’hui ?
Les ordinateurs quantiques menacent les systèmes de sécurité actuels. La cryptographie quantique est une réponse à cette menace, offrant une sécurité basée non pas sur des calculs mathématiques, mais sur des principes physiques.

3. Quelle est la différence entre un bit et un qubit ?
Un bit classique vaut soit 0 soit 1. Un qubit, lui, peut être simultanément dans un état 0 et 1 grâce à la superposition quantique, ce qui ouvre de nouvelles possibilités de traitement et de sécurisation des données.

4. Qu’est-ce que l’intrication quantique ?
L’intrication est un phénomène où deux particules restent liées, même à distance. Si l’état de l’une change, l’autre change instantanément. Cela permet de détecter toute tentative d’interception dans un échange de données.

5. Comment fonctionne la distribution quantique de clés (QKD) ?
La QKD permet à deux utilisateurs d’échanger une clé secrète via des photons. Toute tentative d’espionnage modifie les particules et est immédiatement détectée, rendant l’interception des données impossible.

6. Quelle est la différence entre cryptographie quantique et post-quantique ?
La cryptographie quantique repose sur les lois de la physique, tandis que la cryptographie post-quantique améliore les algorithmes classiques pour les rendre résistants aux attaques quantiques.

7. Quels secteurs utilisent déjà la cryptographie quantique ?
Elle est testée ou en cours d’intégration dans les télécommunications ultra-sécurisées, la finance, le cloud computing, la santé et la défense nationale.

8. La cryptographie quantique est-elle déjà prête pour une utilisation à grande échelle ?
Pas encore. Les technologies actuelles sont coûteuses, limitées en distance et en vitesse. Toutefois, des avancées sont en cours pour surmonter ces obstacles.

9. Quel est le lien entre informatique quantique et blockchain ?
Les ordinateurs quantiques pourraient décrypter les clés publiques des blockchains, mettant en danger leur sécurité. La cryptographie post-quantique travaille à développer des alternatives sûres.

10. Peut-on combiner cryptographie quantique et post-quantique ?
Oui, une approche hybride est possible : utiliser la cryptographie quantique pour l’échange de clés et des algorithmes post-quantiques pour chiffrer les données, offrant ainsi une double sécurité.