Les canaux latéraux cachés dans les sources quantiques pourraient compromettre la communication sécurisée

Une équipe de chercheurs de l’Université de Toronto Engineering a découvert des canaux latéraux multidimensionnels cachés dans les protocoles de communication quantique existants.

Les nouveaux canaux latéraux surviennent dans des sources quantiques, qui sont les dispositifs qui génèrent les particules quantiques – typiques – utilisées pour envoyer des messages sécurisés. Le résultat pourrait avoir des implications importantes pour la sécurité quantique.

“Ce qui rend la communication quantique plus sûre que la communication classique, c’est qu’elle utilise une propriété de mécanique quantique appelée états conjugués”, explique Ph.D. Étudiante Amita Gnanapandithan, auteur principal sur un article publié dans Lettres d’examen physique.

“Par exemple, la position et l’élan sont des variables conjuguées: lorsque vous en mesurez l’un, vous perturbe l’autre. Si les deux variables sont choisies au hasard pour le codage, quiconque essaie d’écouter le message introduira automatiquement les perturbations qui peuvent être détectées par les parties qui essaient de communiquer.

Pourtant, malgré sa sécurité inhérente, il existe encore des moyens que la communication quantique puisse être compromise en raison des imperfections dans les appareils utilisés pour les implémentations pratiques.

Entre 2000 et 2012, les chercheurs ont montré que les canaux secondaires peuvent survenir en raison de la façon dont les détecteurs quantiques fonctionnent. Ces canaux latéraux agissent comme des lacunes, permettant à quelqu’un d’écouter le signal sans introduire une perturbation détectable.

Pour y remédier, en 2012, le professeur Hoi-Kwong LO et ses collaborateurs ont développé un nouveau protocole connu sous le nom de distribution quantique indépendante de la mesure (MDI-QKD). Le protocole court-circuit efficacement tous les canaux latéraux associés à des détecteurs de particules quantiques.

Avec le détecteur pris en charge, Gnanapandithan, co-supervisé par Lo et le professeur Li Qian, s’est tourné vers la recherche de canaux secondaires potentiels associés à l’autre extrémité de la communication: les dispositifs source.

“Disons que vous souhaitez coder des informations en fonction de la façon dont la lumière provenant de la source est polarisée, que nous appelons la polarisation optique”, explique Gnanapandithan.

“Vous utiliseriez deux bases de polarisation conjuguées pour effectuer un codage, et idéalement, vous voudriez garder votre codage dans le degré de liberté de polarisation. Vous ne voulez pas non plus que la polarisation soit corrélée à tout autre degré de liberté, car s’il est, alors l’éventail peut mesurer cette seconde pour obtenir des informations sur la polarisation.”

L’idée que le degré de liberté de codage n’est pas corrélé avec d’autres degrés de liberté dans les sources quantiques optiques est connue sous le nom d’hypothèse dimensionnelle. Violer cette hypothèse signifie que le message pourrait ne pas être sécurisé.

Dans la pratique, les sources quantiques d’aujourd’hui peuvent souvent introduire une telle violation en raison, par exemple, des corrélations entre les signaux adjacents. C’est ce qu’on appelle l’effet de modèle et se traduit par des informations sur les signaux antérieurs qui fuyent les signaux ultérieurs.

Mais dans la dernière étude, Gnanapandithan a utilisé à la fois des modèles théoriques et des sources quantiques physiques pour démontrer une nouvelle source de violation qui n’avait jamais été considérée auparavant.

“Nous savions que le processus de modulation peut être un peu déformé, mais ce que nous avons constaté, c’est que le processus de modulation peut également être variant dans le temps, même dans la même impulsion optique de signal”, explique Gnanapandithan.

“Plus précisément, nous avons fait la prise de conscience très subtile que ce défaut est en fait une violation de l’hypothèse dimensionnelle. Par conséquent, nous appelons ce type de modulation multidimensionnelle cachée de faille,” dont le codage variant dans le temps n’est qu’un exemple. “

L’ampleur de ces canaux latéraux dépend du type d’équipement utilisé.

“Si votre équipement a une bande passante plus élevée, vous pouvez appliquer un signal de modulation à votre impulsion optique qui devrait le rapprocher de ce qu’il devrait idéalement être”, dit-elle.

“Mais si votre équipement est gravement limité à la bande passante, alors l’impulsion de modulation pourrait être gravement déformée, ce qui aggraverait le problème.

“Il existe également un nouveau type de source de distribution de clés quantiques (QKD) qui a été introduit dans la littérature, appelée source QKD passive. Les sources QKD passives n’utilisent même pas de modulateurs, donc ces problèmes de bande passante ne s’appliqueraient pas.”

Lo dit que les travaux futurs de son équipe se concentreront sur les moyens possibles d’atténuer les canaux secondaires nouvellement découverts.

“Nous pouvons faire preuve de créativité et peut-être trouver des moyens de contourner ces problèmes”, dit-il.

“Mais comme nous l’avons appris dans le passé, il est également possible que notre nouvelle méthode puisse causer ses propres problèmes. Vous ne savez jamais combien de couches il y aura, mais je pense que la première étape très importante est d’identifier simplement les problèmes auxquels vous devez faire face, et c’est ce que nous avons fait ici.”