Cryptographie : un informaticien et un physicien quantiques remportent le prix Turing

Charles H. Ben­nett et Gilles Bras­sard ont reçu le prix A.M. Turing « pour leur rôle essen­tiel dans l’é­ta­blis­se­ment des fon­de­ments de la science de l’in­for­ma­tion quan­tique et dans la trans­for­ma­tion des com­mu­ni­ca­tions sécu­ri­sées et de l’in­for­ma­tique ». Gilles Bras­sard est infor­ma­ti­cien à l’U­ni­ver­si­té de Mont­réal, au Cana­da, et Charles Ben­nett phy­si­cien chez IBM Research à York­town Heights, dans l’É­tat de New York aux États-Unis.

Sou­vent qua­li­fié de « prix Nobel de l’in­for­ma­tique », le prix A.M. Turing est décer­né par l’As­so­cia­tion for Com­pu­ting Machi­ne­ry¹ (ACM) et est doté d’un mil­lion de dol­lars. Il porte le nom d’A­lan Turing, le mathé­ma­ti­cien bri­tan­nique qui a posé les fon­de­ments mathé­ma­tiques de l’in­for­ma­tique. Le prix est finan­cé par Google.

Nous sommes nom­breux à uti­li­ser la cryp­to­gra­phie clas­sique au quo­ti­dien — par exemple, pour trans­fé­rer des infor­ma­tions sen­sibles telles que des coor­don­nées ban­caires — et elle est deve­nue indis­pen­sable pour les réseaux infor­ma­tiques et de com­mu­ni­ca­tion modernes. Les infor­ma­tions envoyées sont gar­dées secrètes grâce à un algo­rithme de chif­fre­ment com­bi­né à une « clé » que l’expéditeur uti­lise pour trans­for­mer le mes­sage en une forme incom­pré­hen­sible pour un espion. Le des­ti­na­taire du mes­sage uti­lise ensuite la même clé avec un algo­rithme de déchif­fre­ment pour le lire. Cepen­dant, ce chif­fre­ment stan­dard pré­sente un incon­vé­nient majeur : les deux par­ties doivent connaître la clé et celle-ci doit être éta­blie de manière sécurisée.

C’est là qu’in­ter­vient la cryp­to­gra­phie quan­tique, ou éta­blis­se­ment quan­tique de clés. Cela signi­fie Quan­tum Key Dis­tri­bu­tion, ou QKD en anglais, ce qui est une mau­vaise appel­la­tion selon l’inventeur Gilles Bras­sard lui-même, qui consi­dère qu’on devrait par­ler en anglais de Quan­tum Key Esta­blish­ment. Ce pro­ces­sus exploite les pro­prié­tés quan­tiques des par­ti­cules et per­met d’établir des clés secrètes à l’aide de fibres de com­mu­ni­ca­tion stan­dard (ou encore de satel­lites). Ces clés seront par la suite uti­li­sées par des pro­ces­sus de chif­fre­ment clas­siques. La QKD est intrin­sè­que­ment sécu­ri­sée et per­met de chan­ger fré­quem­ment les clés, ce qui rend la cryp­ta­na­lyse beau­coup plus dif­fi­cile, voire mathé­ma­ti­que­ment impos­sible si les clés obte­nues par QKD sont aus­si longues que les mes­sages à transmettre.

C’est en 1984 que Charles Ben­nett et Gilles Bras­sard ont publié la pre­mière méthode d’établissement de clés secrètes codées dans de tels états quan­tiques. Dans leur désor­mais célèbre pro­to­cole « BB84² », ils repré­sen­taient un bit d’in­for­ma­tion par l’é­tat de pola­ri­sa­tion d’un pho­ton unique — « 0 » lorsque le pho­ton était pola­ri­sé hori­zon­ta­le­ment ou à 45°, par exemple, et « 1 » lors­qu’il était pola­ri­sé ver­ti­ca­le­ment ou à −45°. Dans ce pro­ces­sus, l’expéditeur trans­met une chaîne de pho­tons uniques pola­ri­sés au des­ti­na­taire. En effec­tuant ensuite une série de mesures et, suite à une dis­cus­sion publique, ils sont en mesure d’établir une clé par­ta­gée et de véri­fier si des infor­ma­tions ont été inter­cep­tées par un tiers mal­veillant en cours de route.

Charles Ben­nett et Gilles Bras­sard se sont appuyés sur les tra­vaux du phy­si­cien Ste­phen Wies­ner menés dans les années 1960³. Wies­ner avait réa­li­sé que la nature quan­tique de par­ti­cules telles que les pho­tons — qui était jusqu’alors consi­dé­rée comme un obs­tacle poten­tiel aux appli­ca­tions — pou­vait en réa­li­té être mise à profit.

Leur per­cée sui­vante eut lieu en 1993, lors­qu’ils intro­dui­sirent le concept de télé­por­ta­tion quan­tique⁴ en col­la­bo­ra­tion avec d’autres col­lègues, dont un autre Qué­bé­cois, Claude Cré­peau. Il s’a­git d’un moyen de trans­fé­rer un état quan­tique d’une enti­té à une autre sans réel­le­ment envoyer de par­ti­cule dans cet état.

La télé­por­ta­tion quan­tique est un élé­ment essen­tiel de l’informatique et de la com­mu­ni­ca­tion quan­tiques et repose sur l’intrication quan­tique. Cette « action fan­to­ma­tique à dis­tance » appa­rente (mais non pas réelle)⁵, pour reprendre les mots d’Al­bert Ein­stein lui-même, per­met à deux par­ti­cules ayant été en inter­ac­tion — l’une appar­te­nant à un émet­teur et l’autre à un récep­teur — de par­ta­ger un état quan­tique et donc de res­ter liées d’une manière impos­sible en phy­sique clas­sique. Cela vaut quelle que soit la dis­tance qui sépare les par­ti­cules. L’in­tri­ca­tion peut donc être uti­li­sée pour médier le trans­port de l’in­for­ma­tion quan­tique de l’é­met­teur vers le récepteur.

Ce pro­ces­sus porte le nom accro­cheur de télé­por­ta­tion parce que l’état de la par­ti­cule chez l’émetteur est détruit par le pro­ces­sus de la mesure avant de pou­voir appa­raître intact chez le destinataire.

Plus pré­ci­sé­ment, la télé­por­ta­tion quan­tique com­mence lorsque l’é­met­teur et le récep­teur par­tagent une paire de par­ti­cules intri­quées (par exemple, des pho­tons). L’é­met­teur fait ensuite inter­agir sa moi­tié de la paire intri­quée avec une troi­sième par­ti­cule dont l’état est incon­nu. Il mesure ensuite le résul­tat de cette inter­ac­tion et le com­mu­nique au des­ti­na­taire via un canal clas­sique. Fort de cette infor­ma­tion, le des­ti­na­taire peut alors recons­ti­tuer l’état de la par­ti­cule à l’état incon­nu qui a été télé­por­té. Ce pro­ces­sus porte le nom accro­cheur de télé­por­ta­tion parce que l’état de la par­ti­cule chez l’émetteur est détruit par le pro­ces­sus de la mesure avant de pou­voir appa­raître intact chez le destinataire.

La télé­por­ta­tion quan­tique a été démon­trée expé­ri­men­ta­le­ment pour la pre­mière fois en 1997, lorsque des cher­cheurs sont par­ve­nus à télé­por­ter la pola­ri­sa­tion d’un pho­ton. Depuis, ils sont par­ve­nus à télé­por­ter des états de spins ato­miques, nucléaires et d’ions pié­gés, pour n’en citer que trois exemples. En 2022, un phy­si­cien a d’ailleurs reçu le prix Nobel de phy­sique entre autres pour sa démons­tra­tion expé­ri­men­tale de ce processus.

La télé­por­ta­tion quan­tique a per­mis de déve­lop­per des sys­tèmes de com­mu­ni­ca­tion sécu­ri­sés et sera uti­li­sée pour trans­fé­rer des infor­ma­tions à l’intérieur d’un ordi­na­teur quan­tique ain­si que pour trans­mettre des don­nées d’un appa­reil à un autre. L’objectif ultime est d’utiliser les tra­vaux de Charles Ben­nett et Gilles Bras­sard pour construire des réseaux quan­tiques et un Inter­net quan­tique capables de trans­mettre des infor­ma­tions quan­tiques entre les villes et au-delà, à l’instar de l’Internet d’aujourd’hui, qui sert à trans­mettre des infor­ma­tions classiques.

Outre la cryp­to­gra­phie et la com­mu­ni­ca­tion quan­tiques, leurs tra­vaux ont éga­le­ment eu un impact sur la concep­tion d’algorithmes, le déve­lop­pe­ment d’ordinateurs quan­tiques tolé­rants aux fautes et la phy­sique mathé­ma­tique. « Ben­nett et Bras­sard ont fon­da­men­ta­le­ment chan­gé notre com­pré­hen­sion de l’information elle-même », déclare le pré­sident de l’ACM, Yan­nis Ioan­ni­dis, dans un com­mu­ni­qué de presse de l’ACM⁶. « Leurs idées ont repous­sé les limites de l’informatique et ont déclen­ché des décen­nies de décou­vertes dans toutes les dis­ci­plines. La dyna­mique mon­diale qui sous-tend aujourd’hui les tech­no­lo­gies quan­tiques sou­ligne l’importance durable de leurs contri­bu­tions. »

« Les idées vision­naires de Charles Ben­nett et de Gilles Bras­sard ont jeté les bases de l’une des fron­tières les plus pas­sion­nantes de la science et de la tech­no­lo­gie », ajoute Jeff Dean, direc­teur scien­ti­fique chez Google Deep­Mind et Google Research, dans le même com­mu­ni­qué de presse. « Leurs tra­vaux conti­nuent d’influencer à la fois la recherche fon­da­men­tale et l’innovation dans le monde réel. Google est fier de sou­te­nir le prix ACM A.M. Turing et d’honorer les pion­niers qui façonnent l’avenir de l’informatique. »

Isabelle Dumé