Un pas de plus vers une communication mondiale sécurisée

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La société moderne est tirée par l'échange d'informations à grande échelle. En conséquence, la communication sécurisée des données sensibles dans le monde est un atout de plus en plus précieux. La boîte à outils mathématiques qui est largement utilisée pour cette tâche peut être complétée en appliquant les principes de la physique quantique pour améliorer la sécurité de la liaison de communication. Cette approche présente des caractéristiques hautement souhaitables, telles que la protection des informations chiffrées contre les menaces qui pourraient survenir à la suite des progrès futurs de la puissance de calcul. Cependant, il présente également des défis technologiques importants en termes de gamme de communication possible et de degré de confiance dans les appareils utilisés. , Yin et al. démontrer que de telles solutions cryptographiques peuvent être déployées sur des distances supérieures à 1 000 kilomètres, sans compromettre la sécurité promise par la technologie quantique sous-jacente.

L'application phare de la communication quantique est connue sous le nom de distribution de clés quantiques (QKD). Ce processus permet à deux parties situées à distance l'une de l'autre de partager une chaîne secrète de bits (unités d'informations) appelée clé, qu'elles peuvent utiliser pour crypter et décrypter les messages secrets, sans faire d'hypothèses sur la puissance de calcul d'une écoute indiscrète potentielle. . Bien que le principe d'une telle sécurité absolue repose solidement sur les lois fondamentales de la nature, les implémentations pratiques se présentent sous différentes configurations.

Par exemple, il est possible pour l'une des deux parties de préparer des états quantiques de lumière – le support physique naturel de l'information dans la communication quantique – et de les envoyer à la deuxième partie, qui les mesure. En traitant ces données à l'aide d'une communication classique classique, les deux parties peuvent alors extraire la clé secrète. QKD dans ce cadre a été démontré sur 400 km dans une fibre optique à faible perte et plus de 1 200 km en utilisant une liaison de communication satellite-sol.

Bien qu'impressionnantes, ces démonstrations nécessitent que les appareils des deux parties soient pleinement caractérisés et fiables. De plus, les pertes dans le support de transmission optique deviennent finalement prohibitives. En conséquence, les réseaux qui doivent être établis pour distribuer les clés en toute sécurité entre les parties contiennent des nœuds, qui doivent également être approuvés,. Cette contrainte peut être indésirable pour certaines applications.

Si, au contraire, on pouvait utiliser la distribution d’états de lumière «intriqués» produits par une source, le besoin de confiance serait grandement atténué. Les états intriqués incarnent la nature particulière de la physique quantique et présentent des corrélations que l'on ne retrouve pas en physique classique. Ces corrélations peuvent être acheminées via des dispositifs appelés répéteurs quantiques, de sorte que les systèmes physiques distants peuvent s'emmêler. Ces dernières années, des progrès importants ont été accomplis dans cette direction.. Mais, jusqu'à présent, les distances les plus longues pour la distribution de l'intrication ont été atteintes en transmettant directement les états. Ces distances sont d'environ 100 km dans une fibre optique, et 1 200 km en utilisant des liaisons par satellite.

Idéalement pour QKD, la sécurité de la clé générée serait confirmée simplement en détectant expérimentalement ces corrélations non classiques, grâce à des propriétés statistiques appelées inégalités de Bell, sans avoir à faire confiance aux appareils utilisés par les deux parties. Cependant, dans la pratique, la réalisation de ce niveau de sécurité impose des exigences strictes aux dispositifs expérimentaux qui ne peuvent pas être satisfaites par les technologies actuellement disponibles. Une voie à suivre consiste à mettre en œuvre un QKD basé sur l'intrication qui a des exigences plus faibles, selon lequel, bien que les appareils des parties doivent être fiables, la source des États enchevêtrés peut rester non fiable.

Yin et al. ont effectué une implémentation complète et à longue distance de QKD avec ces restrictions (Fig. 1). Une façon clé de comprendre leur résultat est d'observer comment il a été obtenu, à partir des travaux précédents par certains des auteurs actuels et leurs collègues en 2017. Dans cet article, les chercheurs ont démontré la répartition des états enchevêtrés générés à bord du satellite Micius et envoyés via deux liaisons de communication vers des stations optiques au sol en Chine séparées par 1 200 km.

Figure 1 | Cryptographie quantique basée sur l'intrication. Yin et al. rapportent une expérience dans laquelle des paires de photons intriqués (photons qui sont corrélés de manière non classique) sont produits à bord du satellite Micius. Les photons de chaque paire sont ensuite envoyés à deux stations optiques au sol séparées par une distance de 1 120 kilomètres. Ce processus permet aux parties des deux stations de partager une chaîne secrète de bits appelée clé, qu'ils peuvent utiliser pour crypter et décrypter des messages secrets avec une sécurité absolue. Dans la configuration des auteurs, les appareils utilisés par les deux parties doivent être fiables, mais la source des photons intriqués ne peut pas être fiable.

Bien que ce travail ait été une étape importante pour le domaine, l'efficacité de transmission obtenue était trop faible pour que QKD puisse être réalisé dans des conditions pratiques. En particulier, comme seul un nombre fini d'états peut être transmis pendant une courte fenêtre de collecte de données, les nombreuses erreurs impliquées ont empêché l'extraction d'une clé secrète. La prise en compte de l'utilisation d'un nombre fini d'états transmis est cruciale pour assurer la sécurité, en particulier dans le cas d'une expérience par satellite, dans laquelle les données ne sont collectées que pendant la brève période pendant laquelle le satellite est visible depuis les stations au sol.

Yin et al. résolu ce problème en mettant en œuvre des améliorations technologiques majeures. Il s'agissait notamment d'installer des télescopes très efficaces dans les stations au sol et d'optimiser les composants de l'équipement à toutes les étapes du chemin optique. L'optimisation méticuleuse des auteurs a également impliqué l'acquisition de signaux de pointe, des systèmes de pointage et de poursuite et des techniques de synchronisation pour le satellite et les stations au sol. Leurs efforts ont conduit à une multiplication par quatre de l'efficacité de transmission par rapport à l'expérience précédente et, par conséquent, ont produit des taux d'erreur suffisamment bas pour qu'une clé secrète puisse être extraite. Les auteurs ont également vérifié la stabilité et la fiabilité de leurs découvertes sur plusieurs orbites de satellites.

Du point de vue de la sécurité, cette démonstration ne supprime pas le besoin de confiance dans les stations de réception. Par conséquent, des hypothèses doivent être faites sur le fonctionnement interne des appareils dans ces stations. Yin et al. a fait deux choses pour minimiser le risque que ces hypothèses ne se concrétisent pas. Premièrement, ils ont utilisé une approche systématique pour lutter contre les imperfections qui pourraient par inadvertance divulguer des informations à un espion potentiel. Deuxièmement, ils ont utilisé une gamme de solutions pour contrôler activement les propriétés des supports d'informations photoniques. Combiné avec la sécurité de cette approche quantique qui devrait être garantie contre toutes les attaques possibles, cela fait du résultat des auteurs la démonstration QKD la plus avancée à ce jour.

Cependant, plusieurs lacunes devront être surmontées pour que ces résultats deviennent pertinents pour des applications de haute sécurité vraiment pratiques. Par exemple, l'expérience a produit des clés à des taux extrêmement bas. De plus, l'expérience n'a été réalisée que la nuit, et en utilisant une longueur d'onde incompatible avec les réseaux de fibres optiques utilisés pour les télécommunications qui interfaceraient avec les réseaux spatiaux dans les infrastructures de communication quantique mondiale. De plus, le QKD ne peut être atteint qu'entre des stations au sol qui sont visibles simultanément depuis le satellite.

Les progrès dans tous ces domaines nécessitent le développement de dispositifs performants fonctionnant à une longueur d'onde plus longue que celle utilisée dans ce travail, l'utilisation de satellites sur des orbites plus élevées que celle de Micius et – à long terme – l'intégration de la technologie démontrée avec le quantum répéteurs et autres architectures prometteuses permettant des nœuds non fiables. De telles avancées libéreraient alors tout le potentiel des technologies quantiques pour exécuter des tâches cryptographiques à l'échelle mondiale.

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