B.a.-ba de l’informatique quantique

Superposition

Au niveau quantique, les systèmes physiques peuvent exister en même temps dans plusieurs états. Tant qu’il n’est pas observé ou mesuré, un tel système occupe donc toutes les positions à la fois. Ce principe fondamental de la mécanique quantique permet aux ordinateurs quantiques de prendre en compte le potentiel du système, où tous les résultats possibles existent simultanément dans un calcul. Les systèmes utilisés dans le domaine de l’informatique quantique peuvent être des photons, des ions piégés, des atomes ou des quasi-particules.

Interférence

Les états quantiques peuvent interférer entre eux. Cette interférence peut prendre la forme d’une annulation ou d’une augmentation de l’amplitude. Pour mieux visualiser cette notion, imaginons que nous lâchons en même temps deux cailloux dans une flaque d’eau. Au moment où les ondes ainsi formées se croisent, elles créent des pics et des creux d’ondulation plus importants. Ces schémas d’interférence permettent aux ordinateurs quantiques d’exécuter des algorithmes entièrement différents de ceux des ordinateurs classiques.

Intrication

Au niveau quantique, des particules peuvent former un système lié, dans lequel chaque particule reflète le comportement des autres, même à de très grandes distances. En mesurant l’état d’un système intriqué, un ordinateur quantique peut « connaître » l’état de l’autre système. Concrètement, cela permet par exemple de déterminer le mouvement de rotation d’un électron B en mesurant la rotation d’un électron A, même si les deux électrons sont séparés par une distance de plusieurs millions de kilomètres.

Qubits

En informatique classique, les calculs sont constitués de combinaisons de binaires appelés bits. C’est là que se trouve la limite : les calculs sont écrits dans un langage qui ne peut avoir que deux états à un moment donné, 0 ou 1. En informatique quantique, les calculs sont écrits dans le langage de l’état quantique, qui peut être 0 ou 1, ou toute proportion de 0 ou 1 en superposition. On appelle ce type d’information « bit quantique », ou « qubit ».

Les qubits possèdent des caractéristiques qui permettent aux informations d’augmenter de façon exponentielle dans le système. Comme plusieurs états coexistent, les qubits peuvent encoder des quantités massives d’informations, bien au-delà du bit. C’est l’une des raisons pour lesquelles l’informatique quantique est si puissante. L’augmentation de la puissance de calcul des qubits combinés croît beaucoup plus rapidement que dans l’informatique classique. De plus, comme les qubits n’occupent pas d’espace physique, contrairement aux microprocesseurs, il est bien plus facile d’arriver à des capacités de calcul infinies, par certaines mesures.

Types d’ordinateurs quantiques

Pour cerner les bases de l’informatique quantique, il faut comprendre les principes qui régissent le comportement du mouvement, de la position et des relations quantiques.

L’équipement utilisé en informatique quantique n’a rien à voir avec les parcs de serveurs associés aux superordinateurs. Le calcul quantique nécessite de placer les particules dans des conditions leur permettant d’être mesurées sans altérer ni perturber les particules environnantes. Dans la plupart des cas, cela implique de refroidir l’ordinateur à une température proche du zéro absolu et de protéger les particules de qubits du bruit à l’aide de couches d’or. Pour atteindre ces conditions délicates et précises, les ordinateurs quantiques doivent être conçus et fabriqués dans des environnements hautement spécialisés.

Aujourd’hui, l’algorithme RSA (Rivest-Shamir-Adleman), qu’on appelle communément cryptographie à clé publique (PKC, Public Key Cryptography), est l’une des principales formes de chiffrement numérique. L’algorithme RSA a été décrit pour la première fois par Rivest, Shamir et Adleman en 1977. Presque cinquante ans plus tard, ce système de chiffrement éprouvé continue de se montrer hautement efficace.

La méthode RSA utilise deux clés numériques qui, une fois combinées, forment un grand nombre premier. Or, si les ordinateurs classiques peuvent facilement multiplier deux nombres connus pour obtenir un produit entier, ce n’est pas du tout le cas dans le sens inverse. Les systèmes informatiques traditionnels ont du mal à utiliser le calcul binaire par force brute pour dériver deux facteurs à partir du produit entier. Pour résumer, les algorithmes RSA sont essentiellement des codes indéchiffrables, car même les superordinateurs les plus puissants sont incapables de calculer la valeur des clés dans un délai raisonnable. À l’heure actuelle, pour déchiffrer une clé RSA de 2 048 bits, le supercalculateur le plus rapide mettrait environ 300 000 milliards d’années.

C’est là qu’entre en jeu la menace de l’informatique quantique. Puisque les ordinateurs quantiques sont capables d’analyser simultanément toutes les probabilités sans tracer de parcours linéaire, ils peuvent donc « ignorer » la méthode classique (une route à la fois) et aboutir à un calcul précis dans des délais raisonnables. Les ordinateurs quantiques sont parfaitement aptes à diviser de grands nombres premiers en facteurs corrects, et donc à déchiffrer les algorithmes RSA. Les prédictions concernant l’avènement proche de l’informatique quantique suggèrent que le chiffrement RSA pourrait être craqué en quelques mois, et que les ordinateurs quantiques plus avancés pourraient déchiffrer ces systèmes en quelques heures, voire en quelques minutes.

Informatique quantique

Dans le dialecte de l’informatique quantique, « PQC » est probablement le terme qui prête le plus à confusion. En effet, cette abréviation désigne la cryptographie post-quantique (en anglais, Post-Quantum Cryptography »), mais certains l’utilisent aussi pour parler d’informatique post-quantique (en anglais, « Post-Quantum Computing »). Or, l’expression « informatique post-quantique » devrait être proscrite, car elle ne possède aucun fondement scientifique. « Ordinateur quantique » fait référence à la machine, tandis qu’« informatique quantique » désigne la discipline et les processus. Ainsi, même longtemps après l’avènement des machines utiles, nous continuerons de parler d’ordinateurs quantiques, et non post-quantiques.

Cryptographie quantique

La cryptographie quantique partage ses bases en mécanique quantique avec la cryptographie post-quantique, mais cette technologie est différente de la PQC. En cryptographie quantique, la nature fondamentale de l’imprévisibilité est utilisée pour chiffrer et déchiffrer des données, les informations étant directement encodées dans les qubits. À l’heure actuelle, la méthode de chiffrement quantique la plus connue exploite les propriétés des qubits pour sécuriser les données, de sorte que des erreurs de qubits se produisent lorsqu’une personne tente de déchiffrer les informations sans autorisation. Cette forme de chiffrement quantique fonctionne un peu comme un capteur placé sur une porte ou une fenêtre, qui déclenche une alarme dès qu’un accès non autorisé est détecté.

Cryptographie post-quantique (PQC)

Tout comme le chiffrement informatique classique, la cryptographie post-quantique repose sur sur des équations mathématiques. La différence se situe dans la complexité de ces équations. Avec la PQC, les mathématiques exploitent les avantages des propriétés quantiques pour créer des équations qui sont si difficiles à résoudre que même les ordinateurs quantiques ne peuvent « sauter » des étapes pour aboutir directement à la solution correcte. L’un des avantages de la PQC réside dans ce socle d’équations hautement insolubles. Comme sa structure de base est la même que celle du chiffrement classique, la PQC peut être déployée à l’aide de méthodes similaires à celles des outils de chiffrement de pointe, et elle peut protéger les systèmes actuels.