Le générateur de nombres quantique à diamant : un bijou pour le cryptage de haute sécurité

Le 03 janvier 2012— Ottawa (Ontario)

Il y a 50 ans, devant le surprenant caractère aléatoire de la théorie de la mécanique quantique, Albert Einstein avait déclaré que Dieu ne jouerait pas aux dés avec l’univers. Pourtant, dans les caves d’un édifice de la promenade Sussex, à Ottawa, une équipe de physiciens du CNRC s’est engagée dans une délirante partie de « dés cosmiques ». 

En projetant les pulsations ultrarapides d’un laser à forte intensité à travers une mince plaque de diamant d’environ un millimètre carré, ces physiciens ont réussi, grâce à leur équipement expérimental, à détecter des « fluctuations de mécanique quantique » dans le réseau d’atomes de carbone du diamant, c’est-à-dire des mouvements et des éclairs de lumière aléatoires à l’échelle moléculaire dont ils se servent pour produire des nombres totalement au hasard. 

Les mesures quantiques sont souvent aussi onéreuses que délicates, car elles exigent l’observation de systèmes microscopiques refroidis presque au zéro absolu. Or, l’appareil du CNRC fonctionne à la température ambiante, sur une tranche de diamant visible à l’œil nu, et détecte les fluctuations quantiques en les amplifiant à tel point qu’une photodiode banale, bon marché de surcroît, est capable de les mesurer. 

« La mécanique quantique défie l’intelligence et notre générateur de nombres quantique met en application son principe d’incertitude », explique Ben Sussman, du CNRC. « Prenez ce diamant, illuminez-le de la bonne façon et mesurez la lumière qui en ressort. À la température de la pièce, un petit cylindre d’environ un millimètre de longueur se retrouve dans un état de mécanique quantique absolu. Impossible de décrire le phénomène par la théorie de mécanique classique. »

Comment ça marche – L’impulsion laser est concentrée sur un diamant, ce qui engendre un signal à phase aléatoire. Après filtrage du bruit de fond, le signal est combiné à une impulsion de référence dans un diviseur de faisceau. Suit l’introduction d’une légère inclinaison latérale et le signal est comparé à l’onde de référence grâce à un réseau de capteurs.

En comparant la lumière qui entre à celle qui sort, on obtient de longues séries aléatoires de chiffres qui pourraient servir à verrouiller et à déverrouiller les communications et les données électroniques. 

Les programmes de chiffrement très complexes auxquels les entreprises, les banques, les gouvernements et l’armée recourent pour protéger leurs données les plus précieuses nécessitent une incroyable quantité de nombres aléatoires.

Un codage rapide et indéchiffrable

Le générateur de nombres aléatoires mis au point au CNRC avec la collaboration du professeur Ian Walmsley, de l’Université d’Oxford, promet un codage rapide et indéchiffrable des données échangées à ultra haute vitesse – comme pour les transmissions militaires, les opérations bancaires sécurisées et les achats en ligne –, le préalable à un monde contemporain aussi connecté que le nôtre. Le cryptage des données mis à part, l’appareil pourrait avoir son utilité pour le calcul à ultra haute performance et accroîtrait la fiabilité des plateformes de jeu ainsi que des tirages de prix de plusieurs millions de dollars.

Effets quantiques : hasard extrême

Chaque intense pulsation laser de 100 picosecondes (1 picoseconde = 0,000000000001 seconde) qui traverse le générateur de nombres aléatoires du CNRC place momentanément l’intérieur d’un diamant dans un état quantique impossible à décrire par la physique classique. Cet état change avec chaque pulsation d’une façon absolument imprévisible.

« L’appareil exploite pleinement le principe d’incertitude de la mécanique quantique, pour le domaine de la sécurité des applications. Le faisceau laser peut disperser n’importe quel atome. Puisqu’il disperse un atome au hasard, en mécanique quantique, il les disperse tous, sans qu’on puisse dire lequel il s’agit », déclare Ben Sussman. « La mécanique quantique n’a que 100 ans. Nous avons donc encore beaucoup à apprendre. Nous commençons à peine à créer des technologies qui tirent parti de ses étranges propriétés telles la superposition, l’incertitude, la cohérence et l’intrication. »

Jusqu’à tout récemment, ces nombres – qualifiés de « quasi aléatoires » – n’étaient produits qu’au moyen de formules mathématiques complexes engendrant de longues séries de chiffres qui n’étaient aléatoires qu’en apparence. En effet, comme une paire de dés ordinaires à six faces, ces formules se plient à certaines règles. Si l’on réussit à recréer les conditions physiques du lancer – ou l’algorithme de base – à la perfection, ces règles feront en sorte que le résultat obtenu sera exactement le même. 

Philip Bustard et Ben Sussman

Philip Bustard (à gauche) et Ben Sussman dans le laboratoire de laser femtoseconde du CNRC.

L’Enigma, célèbre machine imaginée par l’armée allemande pour chiffrer ses messages secrets durant les années 1940, en est la preuve. L’appareil produisait des millions de variations codées qu’on croyait impossibles à déchiffrer. Pourtant, les séquences n’étaient pas entièrement aléatoires et les Alliés finirent par les reproduire pour ensuite décrypter les messages. 

Les nombres réellement aléatoires, engendrés à grande vitesse, ensevelissent les indiscrets éventuels sous une telle avalanche de chiffres qu’ils ne peuvent décrypter le signal. Selon Philip Bustard, un des membres de l’équipe, on estime couramment que les opérations bancaires en ligne effectuées à 128 ou à 256 bits sont solidement cryptées. Une fois au point, le dispositif à diamant autorisera un cryptage beaucoup plus poussé et produira des nombres à la vitesse du térahertz, soit des milliers de fois plus rapidement que les ordinateurs personnels actuels. En outre, puisqu’il fonctionne à la température ambiante, et que ses composants ont des dimensions ordinaires, l’appareil pourrait affecter très rapidement de nouvelles technologies.

« Je pense que les Canadiens voudront prendre les devants avec ces technologies de l’avenir, car elles auront de profondes répercussions dans un monde aux interconnexions de plus en plus nombreuses », poursuit M. Sussman. « Nous voilà subitement en train de bâtir une technologie qui repose sur l’incompréhensible mécanique quantique. La physique quantique est si étrange que personne ne parvient à l’expliquer et pourtant, nous arrivons vraiment à nous en servir comme ressource. »

Renseignements : Relations avec les médias
Conseil national de recherches Canada
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