Cryptographie quantique: des capteurs ultraperformants pour contrer les espions

Une équipe de l'UNIGE et d'ID Quantique a développé des détecteurs de photons uniques aux performances inédites, ouvrant de nouvelles perspectives pour la cryptographie quantique.

Comment combattre le vol de données, véritable enjeu de société ? La physique quantique a la solution. Ses théories permettent en effet d'encoder de l'information (un qubit) dans des particules de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) (un photon) et de faire circuler ces dernières dans une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de...) de manière ultrasécurisée. Mais l'utilisation de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de télécommunication à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) se heurte notamment aux performances des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) de photons uniques utilisés.

Une équipe de l'Université de Genève (UNIGE), avec l'entreprise ID Quantique, est parvenue à multiplier par vingt leur vitesse. Cette innovation, à découvrir dans la revue Nature Photonics, permet d'atteindre des performances jamais obtenues auparavant dans la distribution quantique des clés.


Acheter un billet de train, réserver un taxi, se faire livrer un repas: autant de transactions effectuées quotidiennement via des applications mobiles. Celles-ci se basent sur des systèmes de paiement impliquant un échange d'informations secrètes entre l'utilisateur/trice et sa banque. Pour ce faire, la banque génère une clé publique, qu'elle transmet à son/sa client-e, et une clé privée, qu'elle garde secrète. Avec la clé publique, l'utilisateur/trice peut modifier l'information, la rendre illisible et l'envoyer à la banque. Grâce à sa clé privée, la banque peut la décrypter.

Ce système est désormais menacé par la puissance de calcul des ordinateurs quantiques. Pour y remédier, la cryptographie quantique (La cryptographie quantique est une tentative de mise en œuvre des prédicats de la mécanique...) - ou "distribution quantique de clés" (QKD, pour quantum key distribution en anglais) - est la meilleure option. Elle permet à deux parties de produire des clés secrètes partagées et de les transmettre grâce à des photons, via fibre optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), de manière ultrasécurisée. En effet, les lois de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) stipulent qu'une mesure affecte l'état du système mesuré. Ainsi, si un-e espion-ne tente de mesurer les photons pour voler la clé, l'information sera instantanément altérée et l'interception révélée.

Limites actuelles

L'application de ce système est notamment limitée par la vitesse des détecteurs de photons uniques, utilisés pour réceptionner l'information. Après chaque détection, ils doivent en effet récupérer durant une trentaine de nanosecondes, ce qui limite le débit des clés secrètes à environ 10 mégabits par seconde. Une équipe de l'UNIGE dirigée par Hugo Zbinden, professeur associé au Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE, est parvenue à repousser cette limite en développant un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) avec des meilleures performances. Ces travaux ont été menés en collaboration avec l'équipe de Félix Bussières de la société ID Quantique, spin-off de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...).

"Actuellement, les détecteurs les plus rapides pour cette application sont les détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs", explique Fadri Grünenfelder, ex-doctorant au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE et premier auteur de l'étude. "Ces dispositifs comportent un minuscule fil supraconducteur refroidi à -272°C. Si un photon unique le frappe, il se réchauffe, cesse d'être supraconducteur pendant un court instant, ce qui génère un signal électrique détectable. Lorsque le fil redevient froid, un autre photon peut être détecté."

Performances record

En intégrant non pas un mais quatorze nanofils dans leurs capteurs, les chercheurs/euses sont parvenu-es à obtenir des taux de détection record. "Nos détecteurs peuvent compter vingt fois plus vite qu'un dispositif à un seul fil", explique Hugo Zbinden. "Si deux photons arrivent dans un court laps de temps au sein de ces nouveaux détecteurs, ils peuvent toucher des fils différents et être détectés tous les deux, alors qu'avec un seul fil, c'est impossible." Les nanofils utilisés sont également plus courts, ce qui participe à réduire leur temps de récupération.

Grâce à ces capteurs, les scientifiques sont parvenu-es à générer une clé secrète à un débit de 64 mégabits par seconde sur 10km de fibres optiques. Ce débit est suffisamment élevé pour sécuriser, par exemple, une visioconférence avec plusieurs participant-es. C'est cinq fois plus que les performances de la technologie actuelle, sur cette distance. En prime, ces nouveaux détecteurs ne sont pas plus complexes à produire que les dispositifs actuels, disponibles sur le marché.

Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le transfert ultrasécurisé de données, crucial pour les banques, les systèmes de santé mais aussi les gouvernements et l'armée. Ils pourront par ailleurs être appliqués dans de nombreux autres domaines où la détection de la lumière est un élément clé, comme l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) et l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir...).