La Chine développe la cryptographie quantique par satellite

Transfert par laser d'une clé de cryptage quantique depuis l'orbite basse. © Jian-Wei Pan
Avec son satellite Micius, le physicien chinois Jian-Wei Pan vient de mettre au point un système de communication cryptée réputé inviolable, fondé sur les fascinantes propriétés de la physique quantique. Explications.

Dans leur jargon, c’est ce que les scientifiques appellent un « game changer ». Un instrument ou une expérience qui change la donne, qui ouvre des perspectives encore inimaginables peu de temps avant. Grâce à son satellite Micius, baptisé du nom d’un philosophe chinois qui vécut au Ve siècle avant notre ère, la Chine vient de réussir ce que personne n’était parvenu à faire jusqu’ici : transmettre sur plus de 1000 km à la surface de la Terre, depuis l’espace, une clé de cryptage quantique — autrement dit, fondée sur une propriété de la physique qui la rend inviolable. L’exploit publié le 15 juin 2020 dans la revue Nature assure à la Chine le leadership dans la maîtrise de cette technologie sensible. Et selon le physicien Jian-Wei Pan, qui dirige ces recherches depuis l’université de Heifei, elle préfigure un futur internet quantique à l’échelle de la planète.

Le physicien Jian-Wei Pan. © JW Pan

Pour comprendre l’importance de ces travaux, il faut savoir que le cryptage des données est au cœur de nos échanges numériques. Et qu’avec le développement exponentiel des émetteurs et des récepteurs, l’internet des objets, son importance ne va cesser de croître. Les protocoles de chiffrement étant basés sur des algorithmes mathématiques, aucun n’est en théorie incassable. En particulier, la puissance de calcul des futurs ordinateurs quantiques pourrait rendre un jour obsolète ce qui protège aujourd’hui vos échanges sur WhatsApp ou vos opérations de banque en ligne… « Mais heureusement, ce que la physique quantique vous prend d’une main, elle vous le rend de l’autre ! » s’amuse Eleni Diamanti. La cryptographie quantique, dont elle est spécialiste au LIP6, ne souffre pas de ces faiblesses. C’est qu’elle ne repose pas sur des algorithmes mathématiques, mais sur les lois les plus profondes de la nature.

Photons polarisés et intriqués

« Depuis son lancement en 2016, le satellite Micius a testé dans l’espace deux grands protocoles de cryptographie quantique », précise la chercheuse. Le premier a été imaginé en 1984 par Charles Bennett et Gilles Brassard. Baptisé BB84, il s’appuie sur le principe de superposition quantique, qui veut qu’un état quantique possède en même temps toutes les valeurs possibles (par exemple 0 et 1) tant qu’il n’a pas été mesuré. Toutes les particules quantiques sont soumises à cette loi. Mais en pratique, ce sont les photons et leur état de polarisation qui sont utilisés. « Un émetteur envoie un faisceau laser vers un récepteur, qui mesure la polarisation de ses photons et en extrait la clé de chiffrement. L’inviolabilité de cette clé vient du fait qu’un espion qui intercepterait ces photons changerait forcément leur état de polarisation de manière aléatoire, ce qui le trahirait », explique Eleni Diamanti. Ce protocole a été testé entre Micius et une station au sol en 2017.

Le second protocole, dû au Polonais Artur Ekert en 1991, tire partie d’une propriété plus fascinante encore des objets quantiques : l’intrication (lire Ciel & espace n°546, p. 44-49). Comme le soulignait déjà le physicien Erwin Schrödinger en 1935, l’intrication est « une caractéristique qui nous force à nous affranchir complètement des modes de pensées classiques ». Elle signifie en gros que, sous certaines conditions, deux particules ne font plus qu’une. Mesurez l’une, et la valeur de l’autre se figera automatiquement même s’il leur est impossible de communiquer ensemble. Dans le contexte de la cryptographie, c’est une propriété précieuse…

« Cette fois, la communication cryptée ne concerne pas le satellite. Il se contente de distribuer une clé de cryptage sous forme de photons intriqués à deux stations au sol qui voudraient échanger un message crypté », précise Eleni Diamanti. Mais là encore, aucune écoute discrète n’est possible : « Si quelqu’un intercepte des photons intriqués, l’émetteur et le récepteur vont s’en rendre compte. » Après avoir vérifié en 2017 que l’intrication était conservée entre les deux stations séparées de 1200 km, restait à tester le protocole de cryptage lui-même, ce qui est justement présenté dans Nature ce mois-ci.

S’affranchir des limites de distance

Bien sûr, on peut se demander quel est l’intérêt d’utiliser un satellite pour la cryptographie quand on sait que l’essentiel des communications passe en fait par des câbles sous-marins, et que les fibres optiques ont précisément été inventées pour faire circuler des photons… « En fait, même dans les meilleures fibres optiques, la lumière subit une atténuation. Elle ne peut pas voyager en conservant ses précieux états quantiques à plus de quelques centaines de kilomètres », répond Elani Diamanti. Autrement dit, si les protocoles de communication quantique sont utilisables — et fonctionnent déjà dans certains pays — à l’échelle d’une ville où d’une région, il est indispensable de passer par le vide de l’espace pour garantir des communications cryptées inviolables sur de grandes distances. « À l’université de Genève, nous avions réussi à tester l’intrication quantique dans une fibre optique longue de 400 km. C’était un record difficile à battre sans utiliser de satellite — un énorme défi technologique qu’a relevé la Chine en peu de temps ! » souligne le physicien suisse Hugo Zbinden.

Vue d'artiste du satellite Micius communicant vers la Terre. © Micius / OGS

Jian-Wei Pan a de quoi être satisfait : « Les trois objectifs majeurs que nous avions assignés à Micius ont été atteints dès la première année en orbite. » Distribution d’une clé de cryptage quantique depuis le satellite vers une station au sol par le protocole BB84, distribution de photons intriqués depuis le satellite vers deux stations séparées de 1200 km — permettant pour la première fois de tester cette étonnante propriété de la physique quantique sur une longue distance —, et même téléportation quantique de l’espace vers le sol : tout a fonctionné comme prévu depuis le lancement en 2016 ! Mieux, « nous avons pu ensuite réaliser des expériences “bonus”, comme la première communication quantique intercontinentale [en 2018 entre la Chine et l’Autriche, NDLR] », souligne le physicien chinois.

Réconcilier mécanique quantique et relativité générale

Plus fondamentalement encore, Micius a permis de tester une théorie proposée pour réconcilier la mécanique quantique et la relativité générale (la théorie de la gravitation d’Einstein). Ces deux piliers de la physique, jamais mis en défaut dans leur domaine respectif, sont en effet incompatibles, au grand dam des théoriciens depuis près d’un siècle ! « Les tentatives de quantification de la gravitation ont produit plusieurs modèles rivaux de gravité quantique, qui cependant manquent en général d’un socle expérimental. En 2019, nous avons pu tester l’une d’elles avec Micius », explique Jian-Wei Pan. Dans sa version forte, démentie par l’expérience, la théorie prédisait une perturbation dans des paires de photons intriqués, sous l’effet des variations du champ de gravité terrestre ressenti par chacun d’entre eux. Il sera possible de tester une version faible de cette théorie en envoyant un satellite « 20 à 60 fois plus haut », les photons traversant alors des variations du champ de gravitation plus importantes.

Mais l’objectif numéro un du physicien reste l’internet quantique. Autrement dit, un réseau de communication global où une constellation de satellites en orbite basse similaires à Micius connecterait les nœuds d’un réseau câblé au sol, connectant des villes distantes. « Des satellites en orbite géostationnaire pourraient compléter le dispositif en offrant des communications sécurisées permanentes entre des nœuds situés à des distances arbitraires », précise le chercheur.

Un des télescopes de 1,2 m utilisés pour capter les photons intriqués de Micius. © Micius/OGS

Au train où vont les choses, il pourrait bien y arriver. « Jian-Wei Pan a fait sa thèse en Autriche avec Anton Zeillinger en 1999, mais depuis qu’il est rentré dans son pays, il a bâti tout un empire expérimental autour de ces thématiques. C’est impressionnant ! » s’exclame Eleni Diamanti. « Les Chinois sont en avance dans l’espace, mais ils ont aussi déployé un grand réseau de communication quantique par fibre optique au sol », renchérit Hugo Zbinden.

Un événement comparable à Spoutnik

À vrai dire, la suprématie est telle que certains observateurs ont pu comparer le lancement de Micius en 2016 à celui de Spoutnik. En 1957, les Soviétiques avaient damé le pion aux Américains en envoyant le tout premier satellite en orbite. Avec Micius, la Chine ne devance-t-elle pas l’Europe et les États-Unis dans la course à l’internet et la cryptographie quantiques ? « Très peu de travaux de cryptographie quantique ont été publiés aux États-Unis ces dernières années. Officiellement, il ne s’y passe pas grand-chose », reconnaît Hugo Zbinden. « Ils ne communiquent pas, mais je suis persuadée qu’ils y travaillent, surtout après Micius », souffle Eleni Diamanti.

En Europe en tout cas, les choses bougent. Consciente de l’intérêt stratégique de cette technologie qui permet d’assurer la sécurité des données à l’ère du tout numérique, la Commission européenne a décidé de se doter de sa propre infrastructure de communication quantique. En avril 2019, elle a signé un accord avec l’Agence spatiale européenne (ESA) pour que celle-ci réalise le segment spatial, baptisé SAGA (Security And cryptoGrAphic mission), de cette future infrastructure. Cinq mois plus tard débutait le projet OPENQKD. Doté de 18 M€ sur trois ans et piloté depuis Vienne, il doit démontrer la maturité de la communication quantique à travers plusieurs démonstrateurs en Europe. Par ailleurs, l’ESA finance depuis 2018 un projet de satellite de cryptographie quantique baptisé Quartz, selon le physicien Christoph Pacher, de l’Institut autrichien de technologie à Vienne.

Une technologie pour des communications sensibles

Pour autant, il ne faut pas s’attendre à voir cette technologie intégrer demain votre smartphone. S’il considère que les travaux réalisés avec Micius sont « très importants sur le plan de physique fondamentale », Hugo Zbinden ne croit pas à un développement massif de la communication quantique par satellite. « D’abord, les conditions d’utilisation sont restreintes : le transfert par laser n’est possible que la nuit, dans un ciel très sombre, avec de bons télescopes… Et puis, dans la vie de tous les jours, quel est l’intérêt d’avoir un degré de sécurité aussi élevé sur les communications ? Si l’environnement de chaque interlocuteur n’est pas au moins aussi sécurisé, ça n’a aucun sens. » En d’autres termes : inutile de vous fournir une connexion sécurisée avec votre banque si le mot de passe de votre compte est griffonné sur un post-it dans votre salon…

Eleni Diamanti, elle, souligne que des pistes sont déjà explorées pour contourner les limitations liées à l’utilisation des faisceaux laser. « Des chercheurs réfléchissent au moyen d’utiliser d’autres longueurs d’onde. » Et que si cette technologie sera d’abord utilisée pour les communications sensibles (entre États, entre banques, entre établissements de santé…), il est encore difficile d’en entrevoir toutes les applications.

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