cryptographie quantique

Alice veut convenir d'une clé secrète avec Bob. Elle lui envoie une suite de signaux quantiques préparés au hasard. Bob les mesure lui aussi au hasard. Lorsque leurs choix de préparation et de mesure coïncident, ils conservent le résultat ; sinon, ils l'écartent.

Une écoute perturbe en général les signaux mesurés et peut donc laisser des erreurs observables. Alice et Bob testent une partie de leurs résultats avant d'utiliser le reste. La cryptographie quantique ne transporte ainsi pas le message secret : elle aide d'abord à établir une clé commune.

La cryptographie quantique désigne plus précisément la distribution quantique de clés, ou QKD. Deux interlocuteurs utilisent un canal quantique pour produire des données corrélées et un canal classique authentifié pour comparer certaines informations. Ils cherchent à en extraire une clé secrète partagée, destinée ensuite à un procédé de chiffrement classique. La sécurité repose sur les lois de la physique quantique et sur la théorie de l'information, plutôt que sur la seule difficulté supposée d'un calcul.

Dans BB84, proposé en 1984 par Charles H. Bennett et Gilles Brassard, l'émettrice code chaque bit dans l'un de deux choix de préparation incompatibles, appelés bases. Le destinataire choisit indépendamment une base de mesure. Après la transmission, ils annoncent publiquement leurs bases, mais pas les bits, et ne gardent que les positions où leurs bases concordent. Un échantillon de ces bits sert à estimer le taux d'erreur. Si ce taux est acceptable pour le protocole et les appareils employés, une correction d'erreurs et une amplification de confidentialité produisent la clé finale.

L'idée initiale de Stephen Wiesner date du début des années 1970, bien que son article n'ait paru qu'en 1983. En 1990, Artur Ekert a proposé une autre famille de protocoles, fondée sur l'intrication de paires de particules. Ces variantes diffèrent par leurs états quantiques et leurs tests, mais elles poursuivent le même but : détecter une information potentiellement acquise par un tiers avant d'accepter une clé.

Alice et Bob réalisent une version miniature de BB84 sur huit positions. Le schéma associé permet de contrôler visuellement le tri des résultats.

Données.
Bits choisis par Alice : 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0.
Bases d'Alice : +, ×, +, ×, ×, +, +, ×.
Bases de Bob : +, +, ×, ×, ×, +, ×, ×.
Dans cet exemple sans bruit, une base concordante restitue le bit d'Alice.

1. Alice et Bob comparent seulement leurs bases. Elles concordent aux positions 1, 4, 5, 6 et 8.

2. Ils écartent les positions 2, 3 et 7. Les cinq bits conservés, lus dans l'ordre, sont 1, 1, 0, 0 et 0. La clé triée vaut donc 11000.

3. Pour le contrôle, ils révèlent le bit de la position 4. Les deux valeurs valent 1 : l'échantillon testé ne montre ici aucune erreur. Ce bit révélé est supprimé ; il reste 1000 avant les traitements de correction et de confidentialité. Avec seulement huit signaux, cet exemple illustre le mécanisme, mais ne constitue pas une clé déployable.

Sur une liaison équipée pour la QKD, deux sites produisent périodiquement des clés, surveillent le taux d'erreur et n'acceptent un lot que si les tests du protocole réussissent. Les clés acceptées alimentent ensuite un système de chiffrement classique.

Lorsque l'installation d'un canal quantique dédié est irréaliste, la cryptographie classique ou post-quantique reste l'alternative opérationnelle. Le choix dépend notamment de l'infrastructure disponible, de la distance, du débit attendu et du modèle de menace.

Pendant l'exploitation, une hausse inhabituelle des erreurs impose de suspendre la création de clés et d'en rechercher la cause. Une écoute est possible, mais une perte optique, un mauvais alignement ou un appareil défaillant peuvent produire le même symptôme.

Cryptographie post-quantique. Elle utilise des algorithmes classiques conçus pour résister aux attaques d'ordinateurs quantiques. La QKD, elle, exige l'échange et la mesure de systèmes quantiques. Un logiciel déployé sur un réseau ordinaire relève donc de la première, pas de la seconde.

Chiffrement du message. La distribution quantique établit une clé ; elle ne chiffre pas à elle seule le texte, l'image ou le fichier. Si le message devient illisible grâce à une transformation utilisant cette clé, cette transformation appartient au chiffrement associé.

Intrication quantique. Elle est au cœur de l'approche proposée par Ekert en 1990, mais elle ne définit pas toute la QKD. BB84 permet déjà de distribuer une clé avec des états préparés individuellement : l'absence de paires intriquées ne l'exclut donc pas de la cryptographie quantique.

Le canal classique doit être authentifié. Sans authentification, un adversaire peut se faire passer pour Alice auprès de Bob et réciproquement. Il faut donc une méthode d'authentification préalable, même si les bases et les bits de contrôle peuvent être discutés publiquement.

Une erreur n'est pas une preuve d'écoute. Les pertes, le bruit et les imperfections des détecteurs produisent aussi des désaccords. Le taux d'erreur doit être comparé au seuil établi pour le protocole et son analyse de sécurité ; il n'existe pas un seuil universel valable pour toute installation.

La sécurité porte sur un système complet. Une preuve suppose un modèle précis des sources, des détecteurs et du traitement classique. Un appareil qui s'écarte de ce modèle peut ouvrir un canal auxiliaire ; il faut alors corriger l'implémentation ou employer un protocole adapté.

La clé triée n'est pas encore la clé finale. Dans l'exemple, 5 positions sur 8 survivent au tri, puis 1 bit est révélé pour le contrôle. Les 4 bits restants doivent encore passer par la correction d'erreurs et l'amplification de confidentialité avant tout usage réel.

Cryptographie présente le cadre général dans lequel une clé protège l'information et situe la distribution quantique parmi les mécanismes de sécurité.

Chiffrement explique l'étape qui utilise la clé partagée pour transformer effectivement un message.

Théorie de l'information approfondit les notions qui permettent de quantifier les erreurs, l'information divulguée et le secret restant.

Code RSA offre un point de comparaison avec une méthode classique dont la sécurité repose sur un problème de calcul.