De légers désalignements dans les faisceaux de liaison utilisés dans les systèmes de communication quantique pour la distribution quantique de clé (QKD) suffiraient à en compromettre la sécurité, selon une étude. Ce type de désalignement peut être induit par des perturbations environnementales telles que des vibrations et des turbulences atmosphériques, ainsi que des défauts dans les systèmes d’alignement. Ces données suggèrent un facteur de vulnérabilité jusqu’ici peu étudié dans les systèmes de sécurité informatique de nouvelle génération.
La distribution quantique de clé (QKD) est un protocole cryptographique permettant de sécuriser les communications numériques et consiste à établir une information secrète partagée entre deux opérateurs communiquant par le biais d’un canal non sécurisé. Certains protocoles de QKD s’appuient sur l’intrication quantique, une caractéristique fondamentale des particules quantiques où les paires sont intrinsèquement liées quelle que soit leur distance l’une par rapport à l’autre.
L’information secrète partagée entre les deux utilisateurs sert de clé cryptographique commune leur permettant de chiffrer leurs communications à l’aide d’un algorithme de chiffrement symétrique. Plutôt que de se reposer uniquement sur la complexité mathématique, la QKD permet ainsi aux utilisateurs d’échanger des informations confidentielles sans possibilité d’interception même si le canal de communication est public, du moins en théorie.
L’intrication quantique implique notamment que les états de deux particules intriquées soient étroitement liés. Ainsi, si un utilisateur non autorisé tentait d’intercepter la communication cryptée avec une QKD, les états quantiques des informations partagées seraient inévitablement altérés et le problème de sécurité serait immédiatement détecté.
Cependant, les performances des systèmes basés sur la QKD dépendent de différents facteurs exigeant un contrôle précis de la liaison entre l’émetteur d’information cryptée et le récepteur. Parmi ces facteurs figure l’erreur de pointage se produisant lorsque le faisceau transporteur d’information émis n’est pas parfaitement aligné avec le dispositif de réception. Ce problème de désalignement peut se produire en cas de bruit environnemental et peut compromettre le niveau de sécurité de la QKD.
Or, les problèmes de désalignement sont relativement peu explorés dans les études sur les niveaux de sécurité des systèmes de communication par QKD. Dans une récente étude publiée dans l’IEEE Journal of Quantum Electronics, des chercheurs ont montré que ces problèmes pourraient constituer une faille importante dans les réseaux de communication basés sur la QKD.
Le désalignement, talon d’Achille des liaisons quantiques ?
Pour explorer la manière dont le désalignement de faisceau pourrait influencer l’intégrité des systèmes QKD, les chercheurs de l’étude ont développé un nouveau cadre d’analyse permettant de quantifier l’influence de l’erreur de pointage sur les performances des systèmes QKD dans les systèmes de communication optique sans fil (OWC).
« En combinant des modèles statistiques de désalignement du faisceau avec la théorie de la détection quantique des photons, nous avons dérivé des expressions analytiques pour les indicateurs de performance clés des systèmes QKD, clarifiant le rôle exact de l’erreur de pointage dans la dégradation de la génération de clés sécurisées », explique l’auteur principal de l’étude, Yalçın Ata de l’Université technique OSTIM, en Turquie, et de l’Université du Texas à Dallas.
Pour ce faire, l’équipe s’est concentrée sur le protocole largement utilisé BB84 QKD et a modélisé les erreurs de pointage à l’aide de protocoles spécifiques simulant avec précision les faisceaux horizontaux et verticaux. Ces modèles statistiques ont permis d’estimer les probabilités d’erreur en présence de défauts de pointage, ainsi que le taux d’erreur binaire quantique (TEBQ), une mesure indiquant le pourcentage de bits corrompus.
Des performances sensibles à la moindre dérive
Les résultats ont révélé qu’une légère augmentation du diamètre du faisceau — qui accroît la dispersion spatiale du signal et rend l’alignement plus sensible aux fluctuations — suffit à altérer significativement les performances des QKD. L’augmentation de la taille de l’ouverture du récepteur permettrait d’améliorer les performances, mais seulement jusqu’à un certain point.
En revanche, un désalignement asymétrique du faisceau, avec des déviations horizontales et verticales différentes, semblait améliorer les performances dans certains scénarios, notamment par comparaison avec des configurations symétriques soumises aux mêmes contraintes. « Nos résultats, basés sur le cadre de Rayleigh et Hoyt, sont cohérents avec les modèles généralisés existants, tout en offrant une nouvelle clarté analytique sur le rôle de l’asymétrie dans les erreurs de pointage », conclut Ata.