Les ordinateurs quantiques vont-ils bientôt bafouer la vie privée sur Internet ?
Les ordinateurs quantiques sont une nouvelle approche de calcul utilisant les principes de la physique fondamentale pour résoudre extrêmement rapidement des problèmes très complexes.
Une des applications les plus prometteuses des ordinateurs quantiques est la simulation du comportement de la matière jusqu’au niveau moléculaire.
Un ordinateur quantique utilise certains des phénomènes presque mystiques de la mécanique quantique pour réaliser des avancées énormes en puissance de calcul. Les ordinateurs quantiques promettent de surpasser même les superordinateurs les plus puissants d’aujourd’hui – et de demain.
Rien que le calcul quantique – un des trois principaux domaines de la technologie quantique émergente – pourrait valoir presque 1,3 trillion de dollars d’ici 2035.
Ils ne remplaceront pas les ordinateurs classiques. Un ordinateur classique restera la solution la plus simple et économique pour la plupart des problèmes. Mais les ordinateurs quantiques promettent des avancées passionnantes dans divers domaines, des sciences des matériaux à la recherche pharmaceutique. Les entreprises expérimentent déjà avec eux, par exemple pour développer des batteries plus légères et plus performantes pour les voitures électriques et pour développer de nouveaux médicaments.
Les machines sont excellentes pour les problèmes d’optimisation car elles peuvent passer en revue extrêmement rapidement un grand nombre de solutions possibles. Airbus les utilise, par exemple, pour calculer les trajectoires de montée et de descente les plus économes en carburant pour les avions. Et Volkswagen a présenté un service qui calcule les itinéraires optimaux pour les bus et les taxis en ville afin de minimiser les embouteillages.
Certains chercheurs pensent également que les machines pourraient être utilisées pour accélérer l’intelligence artificielle. Mais dans le monde de la recherche, on discute beaucoup de l’importance de l’atteinte de ce jalon.
Laisse-moi essayer de te l'expliquer aussi simplement que possible.
Dans les années 1990, les chercheurs ont compris que les ordinateurs quantiques pouvaient exploiter les particularités de la physique pour résoudre des tâches qui semblaient inaccessibles aux ordinateurs “classiques”. Peter Shor, un mathématicien qui travaille aujourd’hui au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge, a montré en 1994 comment appliquer les phénomènes de superposition quantique – qui décrivent la capacité des objets de taille atomique à exister dans une combinaison de plusieurs états simultanément – et d’interférence quantique, qui est analogue à la façon dont les vagues dans un étang peuvent s’additionner ou s’annuler, au factorisation des entiers en nombres premiers, c’est-à-dire les entiers qui ne peuvent pas être divisés davantage sans qu’il reste de reste.
Le secret de la puissance d'un ordinateur quantique réside dans sa capacité à créer et manipuler des qubits (bits quantiques).
Le calcul classique, la technologie qui alimente ton ordinateur portable et ton smartphone, est basé sur des bits. Un bit est une unité d’information qui peut stocker soit un zéro, soit un un.
Tout, de vos tweets et e-mails à vos chansons iTunes et vidéos YouTube, est essentiellement constitué d’une longue chaîne de ces chiffres binaires.
En revanche, l’informatique quantique est basée sur des bits quantiques (Qubits), qui peuvent stocker des zéros et des uns. Les Qubits peuvent représenter toutes les combinaisons de zéro et de un simultanément – c’est ce qu’on appelle la superposition.
Les ordinateurs quantiques, qui sont généralement constitués de particules subatomiques comme les électrons ou les photons. La génération et la gestion des Qubits est un défi scientifique et technique. Certaines entreprises comme IBM, Google et Rigetti Computing utilisent des circuits supraconducteurs, refroidis à des températures plus froides que l’espace. D’autres, comme IonQ, piègent des atomes individuels dans des champs électromagnétiques sur une puce en silicium dans des chambres à ultra-vide.
Dans les deux cas, l’objectif est d’isoler les Qubits dans un état quantique contrôlé. La plus grande machine quantique disponible aujourd’hui – la puce Osprey, annoncée en novembre par IBM – a 433 Qubits.
Les Qubits possèdent certaines propriétés quantiques étranges, ce qui fait qu’un groupe cohérent de Qubits peut fournir beaucoup plus de puissance de calcul que le même nombre de bits binaires. L’une de ces propriétés est appelée superposition, une autre est appelée intrication.
Il pourrait encore falloir quelques années avant que les ordinateurs quantiques n’atteignent leur plein potentiel. Les universités et les entreprises qui y travaillent sont confrontées à un manque de chercheurs qualifiés dans ce domaine – et à un manque de fournisseurs pour certaines composantes clés. Mais si ces nouvelles machines de calcul exotiques tiennent leurs promesses, elles pourraient transformer des industries entières et stimuler l’innovation à l’échelle mondiale.
Le problème PRVCY
Comme c’est souvent le cas avec la technologie, ce développement a également un aspect politique. La plupart des pays à revenu élevé ont commencé à investir, seuls ou en partenariat public-privé, dans la recherche sur les ordinateurs quantiques. De nombreux pays à revenu intermédiaire ont également lancé des programmes pilotes sur l’informatique quantique.
Et comme c’est souvent le cas dans la course technologique, deux principales forces sont en jeu.
États-Unis d’Amérique
Aux États-Unis, le gouvernement travaille sur la technologie quantique militaire et a intégré l’année dernière les Directives de cybersécurité post-quantique dans la loi.
La loi comporte deux principales sections. La première stipule que l’Office of Management and Budget (OMB) doit effectuer la transition vers la cryptographie post-quantique dans l’année suivant l’émission des nouvelles directives par le NIST. Cela signifie que l’OMB doit commencer d’ici le 5 juillet 2023 à mettre en œuvre des algorithmes cryptographiques approuvés par le NIST pour protéger les systèmes informatiques du pouvoir exécutif.
Dans la seconde partie, l’OMB doit présenter au Congrès un rapport expliquant sa stratégie de transition et solliciter des fonds pour la transition vers des systèmes quantiques sûrs d’ici le 21 décembre 2023. Le projet de loi prévoit également que l’agence exposera d’ici cette date ses efforts pour coordonner avec les organismes de normalisation internationaux et d’autres consortiums.
Chine
D’un autre côté, une équipe de chercheurs en Chine a récemment présenté une technique qui pourrait théoriquement déjouer les méthodes les plus courantes de protection de la vie privée numérique à l’aide d’un ordinateur quantique rudimentaire.
C’est ce que j’appelle l’attaque chinoise, et pour expliquer pourquoi cette déclaration est politique, je dois devenir technique :
Lorsque les ordinateurs classiques résolvent un problème avec plusieurs variables, ils doivent effectuer un nouveau calcul chaque fois qu’une variable change. Chaque calcul est un chemin unique vers un résultat unique. Cependant, les ordinateurs quantiques ont un espace de travail plus important, ce qui signifie qu’ils peuvent examiner simultanément un nombre immense de chemins. Cette capacité signifie que les ordinateurs quantiques peuvent être beaucoup, beaucoup plus rapides que les ordinateurs classiques.
La technique utilisée pour les Chinois a fonctionné dans une petite démonstration, rapportent les chercheurs, mais d’autres experts sont sceptiques quant à la possibilité de mettre à l’échelle le processus pour qu’il surpasse les ordinateurs conventionnels dans cette tâche. Néanmoins, cela rappelle la vulnérabilité de la confidentialité en ligne.
L’algorithme de Shor rendrait un ordinateur quantique exponentiellement plus rapide qu’un classique pour casser un système de cryptage basé sur de grands nombres premiers – Rivest-Shamir-Adleman ou RSA, d’après les initiales de ses inventeurs – ainsi que certaines autres techniques de cryptographie populaires qui protègent actuellement la vie privée et la sécurité sur Internet.
Les chercheurs disent qu’il pourrait falloir un million ou plus de qubits pour craquer le RSA.
Shijie Wei de l’Académie de Pékin des sciences de l’information quantique et ses collègues ont emprunté une autre voie pour casser le RSA. Au lieu du développement de Shor, ils se basent sur l’algorithme de Schnorr – un processus de factorisation des entiers que le mathématicien Claus Schnorr de l’Université Goethe de Francfort a développé dans les années 1990. L’algorithme de Schnorr a été conçu pour les ordinateurs classiques, mais l’équipe de Wei a implémenté une partie du processus sur un calculateur quantique, utilisant un procédé appelé QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm).
Dans ce travail non encore évalué par les pairs, les auteurs affirment que leur algorithme peut casser des clés RSA fortes – des nombres avec plus de 600 chiffres – avec seulement 372 qubits. Dans un email à Nature, Guilu Long, physicien à l’Université Tsinghua en Chine, au nom de tous les auteurs, avertit que posséder beaucoup de qubits ne suffit pas, et que les ordinateurs quantiques actuels sont encore trop sujets aux erreurs pour réaliser un calcul de cette ampleur avec succès. “Augmenter simplement le nombre de qubits sans réduire le taux d’erreur ne sert à rien.”
Chao-Yang Lu, un physicien construisant des ordinateurs quantiques à l’Université des Sciences et Technologies de Chine à Hefei et non impliqué dans le projet, déclare que pour exécuter l’algorithme QAOA sur une machine aussi petite, chacun des 372 qubits devrait fonctionner sans erreur 99,9999% du temps. Les qubits modernes atteignent juste une précision de 99,9 %.
Le problème est que personne ne sait si le QAOA accélère le calcul de grands nombres par rapport à l’exécution de l’algorithme classique de Schnorr sur un ordinateur portable. “Il convient de noter que l’accélération quantique de l’algorithme est incertaine”, écrivent les auteurs.
En d’autres termes, bien que l’algorithme de Shor garantisse de casser le cryptage efficacement si un calculateur quantique suffisamment grand est disponible, la technique basée sur l’optimisation pourrait également fonctionner sur une machine beaucoup plus petite, mais peut ne jamais accomplir la tâche.
Bien que la technique basée sur Schnorr ne cassera pas Internet, les ordinateurs quantiques pourraient un jour le faire en exécutant l’algorithme de Shor. C’est pourquoi la Chine a annoncé travailler à casser les cryptages informatiques, et les États-Unis ont annoncé leur loi sur la cybersécurité post-quantum.
Tous les pays ayant un produit intérieur brut de plus d’un billion de dollars ont lancé des initiatives quantiques nationales. Cette catégorie comprend la Chine, le Japon, l’Inde, le Canada et les États-Unis, qui investissent le plus dans la recherche quantique. Mais également l’Allemagne, le Royaume-Uni, la France, la Russie, l’Italie, le Brésil, l’Australie, la Corée du Sud, l’Espagne, l’Arabie Saoudite et les Pays-Bas (dans l’ordre du PIB). Le Brésil et l’Espagne ont lancé leurs initiatives quantiques nationales l’année dernière.
Dans la plupart de ces pays, il existe également un secteur commercial dynamique engagé dans la recherche quantique. Le nombre d’entreprises privées d’ordinateurs quantiques est relativement important dans beaucoup de ces pays par rapport à d’autres. Aux États-Unis, il y en a plus de 350, au Royaume-Uni plus de 100, en Allemagne plus de 100, au Canada plus de 80, en France plus de 75, en Chine plus de 35, au Japon plus de 35, aux Pays-Bas plus de 35, en Inde plus de 20 et en Espagne plus de 15.
Cela signifie que la course aux meilleurs résultats et la crainte des autres pays a commencé. Dans ce contexte, les chercheurs en sécurité ont développé une série de systèmes cryptographiques alternatifs qui sont considérés comme moins vulnérables aux attaques quantiques et sont appelés post-quantum ou quantum-safe. Mais peut-être que les chercheurs découvriront aussi de meilleurs algorithmes quantiques qui pourraient battre ces systèmes à l’avenir.
