À l'ère actuelle du numérique, nous pouvons envoyer des informations d'un bout à l'autre du monde en une fraction de seconde. Cela entraîne toutefois des préoccupations croissantes en matière de sécurité de l'information. Le chiffrement des données consiste typiquement à coder les messages pour qu'ils ne puissent être déchiffrés qu'avec une clé spécifique. Mais un nouveau défi en découle : comment envoyer cette clé au destinataire sans qu'elle soit interceptée?
Communications quantiques : un nouvel horizon pour la sécurité informatique
Serait-il possible d'envoyer une clé de chiffrement de telle manière que toute interception non autorisée provoque la destruction instantanée du message? Mieux encore, toute tentative d'écoute pourrait-elle laisser des traces et trahir immédiatement la présence d'un intercepteur?
Le chiffrement quantique devrait pouvoir offrir précisément ce type de communication ultrasécurisée. La technique repose sur la mécanique quantique, une branche de la physique qui vise à expliquer les interactions entre énergie et matière aux niveaux atomique et subatomique. À ces échelles microscopiques, la matière se comporte de manière surprenante, voire souvent contre-intuitive, en donnant lieu à des phénomènes de superposition où un système peut exister dans plusieurs états simultanément.
Bien que l'idée que quelque chose puisse exister dans plusieurs états à la fois soit difficile à concevoir, les équations de la mécanique quantique sont mathématiquement cohérentes. Les physiciens quantiques décrivent les propriétés en termes de probabilités. Or dans le cadre de la mécanique quantique, dès que l'on essaie de mesurer une propriété, comme la position ou la vitesse, l'état de superposition quantique s'effondre. Les chercheurs tentent donc de trouver des moyens d'exploiter la fragilité de cette superposition pour assurer la sécurité de la transmission des clés de chiffrement.
« Les systèmes de communication classiques sont vulnérables parce que l'information qu'ils véhiculent peut être copiée », explique Fred Bouchard, agent de recherches au CNRC. « Mais dans un système quantique, l'information est encodée dans un état quantique particulier, comme la superposition. Si vous essayez de mesurer un tel état, vous obtiendrez l'une ou l'autre des propriétés, mais jamais les deux à la fois, et c'est précisément ce qui nous permet de chiffrer nos renseignements confidentiels. »
« Nous exploitons ce concept en communications quantiques, ajoute-t-il. Si un intercepteur tente de copier l'information, il échouera forcément et générera des anomalies que nous pourrons déceler et qui trahiront sa présence. »
Des communications sécurisées grâce à la lumière
La lumière se déplace sous la forme de petits paquets d'énergie appelés « photons ». Les photons sont un exemple d'entités physiques qui existent dans un état quantique. M. Bouchard et ses collègues sont à la recherche d'applications pratiques de la photonique quantique, par exemple le chiffrement et la transmission de clés cryptographiques.
Avec le soutien du programme Défi « Réseaux sécurisés à haut débit », des chercheurs du CNRC et de l'Université d'Ottawa ont mis au point un nouveau protocole de distribution quantique de clés. Par rapport aux protocoles existants, cette méthode, qui consiste à échanger des clés cryptographiques en utilisant les principes de la mécanique quantique, offre des avantages importants en matière de vitesse de transmission et de résistance aux turbulences atmosphériques.
« La section transversale d'un faisceau laser présente une forme particulière décrite par son mode spatial. C'est une propriété utile pour le chiffrage de l'information parce qu'elle nous permet de stocker plus de données par photon que si nous utilisions d'autres propriétés comme la polarisation », explique M. Bouchard.
« L'inconvénient, c'est que le mode spatial de la lumière est très sensible aux interférences provoquées par les turbulences atmosphériques. Grâce à ce protocole, nous avons pu mettre au point une nouvelle technique de chiffrage de l'information qui bénéficie des débits plus élevés accessibles avec l'encodage du mode spatial, tout en résistant aux effets des turbulences. »
Partenariats, expertise et infrastructures comme moteurs de la recherche
Ce protocole novateur de distribution quantique de clés est le fruit d'efforts collaboratifs de recherche et développement entre le CNRC, l'Université d'Ottawa et d'autres acteurs du secteur des communications optiques. Dans ce domaine, la lumière est utilisée pour transmettre les informations à travers des câbles de fibre optique ou l'espace libre. La transmission en espace libre concerne particulièrement les communications satellites, qui permettent d'offrir des connexions longues distances cruciales, notamment dans les zones rurales ou éloignées. Les systèmes optiques opérant en espace libre doivent cependant faire face à des défis importants liés aux interférences engendrées par les turbulences atmosphériques.
Dans le contexte de la distribution quantique de clés, il est particulièrement difficile de préserver la qualité du signal, car l'information est encodée dans les caractéristiques très éphémères de photons individuels. Ces photons se propagent dans l'atmosphère terrestre, dont la température et la pression fluctuent sans cesse, ce qui rend difficile le maintien de la clarté du signal.
Pour surmonter cette difficulté, le CNRC et l'Université d'Ottawa ont mis en place une connexion quantique en espace libre dans la ville d'Ottawa afin de reproduire la quantité de turbulences atmosphériques qu'un signal optique rencontrerait entre une station terrestre et un satellite. Cette installation a joué un rôle de premier plan dans le développement du protocole de distribution quantique de clés et d'autres innovations connexes, notamment un système d'optiques adaptatives ultrarapide et un outil de prévision des turbulences par IA.
« Depuis plusieurs années, cette connexion en espace libre nous permet d'étudier les effets des turbulences et de concevoir des stratégies pour les atténuer », explique M. Bouchard. « Les percées que nous avons accomplies convergent vers une amélioration des performances de la connexion et nous rapprochent ainsi de l'objectif de disposer de réseaux de communication ultrasécurisés capables de protéger des informations sensibles contre les attaques les plus sophistiquées. »
Ces travaux de recherche ont été soutenus par des subventions et des contributions accordées dans le cadre du Programme de collaboration en science, en technologie et en innovation administré par le Bureau national des programmes du CNRC.