La cryptographie quantique

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[1] Echanger un secret, qubit & protocoles

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Le premier objectif de la QKD est d'envoyer une série de bits, en espérant que l'on n'a pas été écouté.

Nous allons voir comment on peut faire ça, avec quel genre de qubit = un bit quantique, réviser la mécanique quantique si besoin est, et constater que les chercheurs sont très prolifiques concernant les protocoles à suivre...

Echanger un secret

Il s'agit d'échanger une série de bits (aléatoires de préférence)
sans se faire écouter ni pirater.
Pour envoyer ta fameuse clé de chiffrement, j'imagine!
Parler de clé de chiffrement est aller un peu vite en besogne
A quoi ils servent alors tes bits?
Et bien si personne n'a piraté la ligne, à ce moment-là ces bits deviennent effectivement secrets.
On peut alors construire une clé avec ces bits secrets.
Et chiffrer des messages de manière classique, qu'on enverra avec des qubits?
Oui pour le chiffrement
et non pour le canal quantique qui est bien trop lent pour être commode.
Ah oui, c'est vrai, tu me l'as déjà dit.
Le canal quantique ne sert pas beaucoup alors.
Effectivement.

Le problème général se nomme quantum secret sharing, "partage de secret de manière quantique" en français, et se généralise à plus de 2 correspondants. Mais bon, une fois que le problème est résolu pour 2 correspondants, on se doute qu'on pourra faire des trucs à trois ou plus suivant affinités.

Mais ta suite de bits, si elle est aléatoire, elle pourrait servir directement de clé?
Ah! Tu penses à faire un XOR avec le futur message?
C'est vrai que ce chiffrement est prouvé être totalement sécuritaire.
A CONDITION de ne se servir qu'une seule fois de la clé.
Du coup, il faut que la clé soit aussi longue que le message
et comme le canal quantique est lent, ça ne va pas être pratique. OK.
Résultat des courses:
On construit une clé symétrique avec nos bits secrets.
Puis on continue nos salades de cryptographes sur une ligne classique.
Avec un algorithme post-quantique, tant qu'à faire.
Autant choisir ce genre d'algo, c'est vrai.

Comment? Avec quel qubit?

Bon, on arrive enfin aux histoires quantiques alors.
Quel genre de qubit on va utiliser?
Et quelles propriétés quantique seront utiles?
Une question à la fois, tu veux bien?
Commençons par le qubit.

Il faudra envoyer des qubits sur un canal de transmission adéquat entre deux points distants. Et là, ça rigole moins, car on voit mal comment transporter un qubit physique genre "ion piégé" ou "silicium" ou "cavité diamant" de manière rapide et commode.

De plus, la plupart des qubits perdent rapidement leurs propriétés à cause des phénomènes de décohérence, autrement dit, ils ont la mémoire très courte.

En réalité, il n'en existe qu'un seul valable: le photon. Il a quand même le bon goût de se déplacer à la vitesse de la lumière, visiblement c'est le mot qui convient ils sont résistants à la décohérence malgré la quantité énorme d'atomes qu'ils rencontrent, et on sait utiliser de la fibre optique sur des distances intéressantes.

Résultat des courses: le photon et uniquement lui. Et plutôt du côté du spectre visible ou pas loin. Et comme on les envoie un par un et non en gros paquets comme dans les communications optiques habituelles, on se doute vite qu'on se retrouve dans le cas du "canal de transmission spécial super-lent". Utiliser la même fibre pour faire un canal de communication quantique et aussi s'en servir classiquement (pour échanger rapidement) va poser beaucoup de problèmes d'aiguillage et de sécurité, aussi on aura systématiquement un canal classique en parallèle.

Ah bon, le photon uniquement en pratique.
Va falloir que je révise ma mécanique quantique concernant le photon, je parie?
Ce n'est pas si compliqué que ça, c'est souvent de la polarisation de la lumière.
Mais bon, il existe quand même pas mal de subtilités qu'il faut connaitre quand on entre dans les détails.
Alors, quelles propriétés dois-je réviser?
La superposition d'états et par conséquent le non-clonage.
C'est tout?
Assez curieusement, l'intrication, qui est carrément une propriété intéressante en cryptographie, n'a pas été utilisée au départ. Mais on y viendra forcément.

Introduction des protocoles

Et comment on se sert de ces propriétés quantiques?
Ah ben c'est là où il faut aimer les protocoles.

Voici une liste résumant la situation, histoire de voir d'un coup d'œil l'étendue des dégâts, et surtout se rendre compte que cette liste est difficile à faire car des combinaisons et de nombreux raffinements sont proposés, ce qui ne facilite pas le rangement, si tant est qu'on puisse en faire un.

On peut définir 3 grands groupes :

  1. DV-QKD Discrete Variables: les plus courants et simples à comprendre, vu qu'ils sont limités à un nombre restreint d'états.
  2. CV-QKD Continuous Variables: à variables continues = l'enfer pour s'y plonger.
  3. DI-QKD Device Independent: tout un pan d'études pour séparer le protocole des implémentations physiques. Evidemment très théorique et bien couillu.
Les divers protocoles

Nous allons examiner les protocoles dans un ordre arbitraire, avec plus ou moins de détails car parfois c'est vraiment compliqué et il vaut mieux se reporter aux articles scientifiques, mais on commence quand même par le plus ancien et le plus connu, BB84.

J'aime râler

Vu le coût d'installation d'une fibre optique spéciale -d'un seul tenant, vu les problèmes de répéteurs- qui va servir moins d'une journée pour établir une clé de chiffrement secrète qui sera ensuite utilisable sur un canal classique, on peut vraiment se demander comment vendre ça avec une rentabilité intéressante.

Autant payer un gorille pour porter manu militari une enveloppe scellée avec les clés publiques post-quantique, je vous vois venir, ça coûtera nettement moins cher.

Ah, c'est moins classe, c'est sûr, mais pragmatique, et faut bien faire vivre Le Transporteur

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Introduction
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