Quelle sera la cryptographie post-quantique?

Il y a une course pour créer de nouvelles façons de protéger les données et les communications contre les menaces posées par les ordinateurs quantiques robustes

Peu d'entre nous ont prêté attention au petit symbole de verrouillage qui apparaît dans nos navigateurs Web chaque fois que nous allons sur le site Web de la boutique en ligne, envoyons et recevons des e-mails, vérifions notre compte bancaire ou notre carte de crédit. Cependant, cela signale que les services en ligne utilisent HTTPS, un protocole Web qui crypte les données que nous envoyons sur Internet et les réponses que nous recevons. Cette forme de cryptage et d'autres protègent diverses communications électroniques, ainsi que des éléments tels que les mots de passe, les signatures numériques et les dossiers médicaux.

Les ordinateurs quantiques peuvent miner cette protection cryptographique. Aujourd'hui, ces machines ne sont pas encore assez puissantes, mais elles évoluent rapidement. Il est possible qu'au plus tard dix ans plus tard - et peut-être même plus tôt - ces machines puissent devenir une menace pour les méthodes de cryptographie largement utilisées. C'est pourquoi les chercheurs et les entreprises en sécurité développent de nouvelles approches de la cryptographie qui peuvent résister aux futures attaques quantiques par des pirates.

Comment fonctionne le cryptage numérique?

Il existe deux principaux types de cryptage. Le chiffrement symétrique nécessite que l'expéditeur et le destinataire disposent de clés numériques identiques pour chiffrer et déchiffrer les données, tandis que le chiffrement asymétrique - ou le chiffrement avec une clé publique - utilise une clé publique qui permet aux gens de chiffrer les messages pour un destinataire qui seul possède une clé privée qui lui permet de déchiffrer .

Parfois, ces deux approches sont utilisées ensemble. Dans le cas du HTTPS, par exemple, les navigateurs Web utilisent des clés publiques pour vérifier l'authenticité des sites et obtenir une clé pour le cryptage symétrique des communications.

L'objectif est d'empêcher les pirates d'utiliser une puissance de calcul importante pour essayer de deviner les clés utilisées. Pour cela, les méthodes cryptographiques populaires, y compris RSA et le cryptage utilisant des courbes elliptiques, utilisent généralement ce qu'on appelle. Les fonctions unidirectionnelles avec une entrée secrète sont des constructions mathématiques qui sont relativement faciles à calculer dans une direction pour obtenir des clés, mais il est très difficile pour un attaquant de procéder à une rétro-ingénierie.

Les pirates peuvent essayer de déchiffrer le code en ramassant toutes les options clés possibles. Mais les parties en défense leur rendent la tâche très difficile, en utilisant des paires de clés très longues - comme dans le RSA 2048 bits, en utilisant des clés avec une longueur de 617 nombres décimaux. L'énumération de toutes les options possibles pour les clés privées prendra des milliers - voire des millions - d'années sur les ordinateurs ordinaires.

Pourquoi les ordinateurs quantiques mettent-ils en danger le chiffrement?

Puisqu'ils peuvent aider les pirates à se frayer un chemin à travers des mouvements algorithmiques secrets beaucoup plus rapidement. Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits qui ne peuvent prendre que des valeurs 1 ou 0, les machines quantiques utilisent des qubits qui peuvent représenter simultanément divers états possibles, intermédiaires entre 0 et 1 - ce phénomène est appelé superposition. Ils peuvent également s'influencer à distance en raison d'un phénomène tel que l'enchevêtrement.

En raison de ce phénomène, l'ajout de plusieurs qubits supplémentaires peut entraîner des sauts exponentiels de la puissance de calcul. Une machine quantique à 300 qubits est capable de représenter plus de valeurs que le nombre d'atomes dans l'Univers observable. En supposant que les ordinateurs quantiques seront en mesure de surmonter certaines de leurs limitations inhérentes en matière de performances, un jour ils pourront être utilisés pour vérifier toutes les options de clé cryptographique possibles dans un temps relativement court.

Les pirates sont également plus susceptibles d'essayer d'utiliser des algorithmes pour optimiser certaines tâches. Un tel algorithme , publié par LOVE GROVER d'AT & T Bell Labs, aide les ordinateurs quantiques à rechercher des options beaucoup plus rapidement. Un autre algorithme , publié en 1994 par Peter Shore, alors également employé aux Bell Labs, et maintenant professeur au MIT, aide les ordinateurs quantiques à trouver des multiplicateurs entiers incroyablement rapides.

L'algorithme de Shore menace les systèmes à clé publique tels que RSA, dont la défense mathématique dépend en particulier de la difficulté de rétro-ingénierie du résultat de la multiplication de très grands nombres premiers (factorisation). Un rapport sur l'informatique quantique, publié l'année dernière par l'Académie nationale des sciences, de l'ingénierie et de la médecine des États-Unis, prévoit qu'un ordinateur quantique puissant exécutant l'algorithme Shore sera capable de casser des variantes RSA 1024 bits en moins d'une journée.

Les ordinateurs quantiques seront-ils capables de casser la protection cryptographique dans un avenir proche?

Peu probable. Une étude menée par des académies nationales affirme que pour représenter une menace réelle, les ordinateurs quantiques auront besoin de beaucoup plus de puissance de calcul que les meilleurs d’aujourd’hui.

Cependant, l'année au cours de laquelle le piratage de code quantique deviendra un sérieux casse-tête - que certains chercheurs en sécurité ont surnommé Y2Q - peut se lever rapidement de manière inattendue. En 2015, les chercheurs ont conclu qu'un ordinateur quantique aurait besoin d'un milliard de qubits pour casser rapidement un cryptage RSA 2048 bits. Dans un travail plus moderne , il est indiqué qu'un ordinateur avec 20 millions de qubits sera capable de faire face à cette tâche en seulement 8 heures.

C'est bien au-delà des capacités des ordinateurs les plus puissants d'aujourd'hui, avec seulement 128 qubits . Mais les progrès de l'informatique quantique sont imprévisibles. Sans protection cryptographique qui prend en compte l'informatique quantique, toutes sortes de services - des robots aux équipements militaires, aux transactions financières et aux communications - risquent d'être attaqués par des pirates qui ont accès aux ordinateurs quantiques.

Toute entreprise ou gouvernement qui prévoit de stocker des données pendant plusieurs décennies devrait déjà réfléchir aux risques que comporte la nouvelle technologie, car le cryptage qu'ils utilisent aujourd'hui peut être piraté à l'avenir. Il peut prendre des années pour transcoder d'énormes volumes de données historiques sous une forme plus fiable, il serait donc préférable d'utiliser un codage fiable aujourd'hui. De là vient la demande de cryptographie post-quantique.

Quelle sera la cryptographie post-quantique?

Il s'agit du développement de nouveaux types de méthodes cryptographiques qui peuvent être appliquées à l'aide des ordinateurs classiques d'aujourd'hui, mais qui seront invulnérables à celles quantiques de demain.

L'une des lignes de défense est l'augmentation de la taille des clés numériques pour augmenter considérablement le nombre d'options dans lesquelles il sera nécessaire de rechercher par recherche. Par exemple, un simple doublement de la taille de la clé de 128 à 256 bits quadruple le nombre d'options possibles qu'une machine quantique qui utilise l'algorithme Grover devra trier.

Une autre approche implique l'utilisation de fonctions plus complexes avec une entrée secrète, de sorte qu'il serait difficile à gérer même avec un ordinateur quantique puissant qui exécute l'algorithme Shore. Les chercheurs travaillent sur un large éventail d'approches, y compris des approches exotiques telles que la cryptographie sur réseau et un protocole d'échange de clés utilisant l'isogénie supersingulaire.

Le but de la recherche est de choisir une ou plusieurs méthodes qui peuvent ensuite être largement appliquées. L'Institut national des normes et de la technologie des États-Unis a lancé en 2016 le développement de normes de chiffrement post-quantique à l'usage du gouvernement. Il a déjà réduit le jeu initial de demandes de 69 à 26, mais dit que les premiers projets de normes devraient apparaître au plus tôt en 2022.

L'importance critique de cette tâche est due au fait que les technologies de cryptage sont profondément intégrées dans de nombreux systèmes différents, il faudra donc beaucoup de temps pour les refaire et introduire de nouveaux algorithmes. Une étude des académies nationales de l'année dernière a noté qu'il a fallu plus de 10 ans pour se débarrasser complètement d'un algorithme cryptographique largement utilisé qui s'est révélé vulnérable. Compte tenu de la rapidité du développement informatique quantique, le monde n'a peut-être pas beaucoup de temps pour faire face à ce nouveau problème de sécurité.