La première étape de la transmission d’un message de façon confidentielle est de créer des clefs d’encryption. Contrairement aux algorithmes d’encryption actuellement utilisés, le système de cryptographie quantique crée ses clefs lui-même (quantum key distribution) d’une manière très sécuritaire, ce dont nous discuterons.
En 1992, Charles H. Bennett publia une méthode pour réaliser la QDK (Quantum Key Distribution) appelée B92 et c’est à partir de cette méthode que d’autres chercheurs ont poursuivi le développement de systèmes de la QDK.
Un groupe de chercheur de Los Alamos National Laboratory , mené par Richard J. Hughes, en Californie, a récemment proposé et expérimenté un système utilisant une méthode basée sur la B92. Le processus est le suivant. Il faut d’abord que l’émetteur et le récepteur du message génère chacun une séquence de bits aléatoires de façon secrète et confidentielle. Pour une sécurité maximale, cela se fait avec deux systèmes d’ordinateurs indépendants (celui de l’émetteur et celui du récepteur) qui génèrent des nombres aléatoires en digitalisant des bruits électriques. Ensuite, l’émetteur communique avec le récepteur par un mode de communication publique conventionnel pour établir la procédure de comparaison quantique. L’émetteur décide ses deux polarisations non-orthogonales et en fait part au récepteur. Le récepteur choisira ensuite ces deux polarisations non-orthoganles avec la contrainte que chacune de ces deux polarisations doit être orthogonale à une des polarisations de l’émetteur. Voici un exemple, si l’émetteur choisit 45o et 90o , le récepteur peut alors choisir –45o et 0o . L’émetteur, tout comme le récepteur, détermine alors quelles polarisations correspondent au bit ``0`` et ``1``. Par exemple, l’émetteur peut relier la polarisation 45o à un ``1`` et 90o à un ``0`` tandis que celui qui recevra le message peut choisir –45o pour ``0`` et 0o pour ``1``.
BIT |
1 |
0 |
POLARISATION POUR L'ÉMETTEUR |
45o |
90o |
| POLARISATION POUR LE RÉCEPTEUR | 0o | -45o |
L’étape suivante est d’envoyer la séquence de bits aléatoire (celle de l’émetteur) au récepteur par communication quantique. En pratique, ca se réalise en convertissant les nombres aléatoires en voltages qui sont ensuite appliqués à des modulateurs de phase électro-optiques. Ces derniers sont en fait des semi-conducteurs employés comme laser et ils contribuent à générer les clefs rapidement. Les voltages peuvent aussi être appliqués à des mirroirs transducteurs piezo-électrique (PZT) contrôlés, ce qui donne une génération de clefs plus lente. Le récepteur ne connaît pas la séquence de bits qui lui parvient et il n’a pas besoin de la connaître. Celui-ci prend sa propre séquence de bits aléatoire créée auparavant et il prépare son appareil de mesure de polarisation comme si la séquence de bits qui lui est transmise était sa propre séquence, ce qui n’est pas le cas. Il compare ensuite ce qu’il reçoit avec ce qu’il s’attendait à recevoir. Si le bit reçu ne correspond pas à ce qu’il attendait, il note un échec. Si le bit correspond à celui dans sa séquence de bit, dans 50% des cas il le notera comme une réussite et les autres fois il le notera quand même comme un échec (ce qui est dû à l'effet quantique). Voici un exemple:
| Chiffre de l'émetteur | 1 |
0 |
1 |
0 |
| Polarization de l'émetteur | 45° | 90° | 45° | 90° |
| Polarization du récepteur | -45° | -45° | 0° | 0° |
| Chiffre du récepteur | 0 | 0 | 1 | 1 |
| Résultat (noté par le récepteur) | échec | échec | réussite | échec |
Dans cet exemple, on peut remarquer qu'au troisième bit transmis, l'émetteur envoit un "0" et le récepteur se prépare pour recevoir un "0". Malgré cela, le récepteur note un échec, ce qui illustre qu'on ne note pas toujours une réussite même si les bits sont pareils.
Les résultats sont enregistrés dans un fichier et transmis par connection Ethernet ( ou par un autre mode de communication public). Les deux partis garderont seulement les bits de leur séquence qui correspondent à une réussite, ce qui créera leur clefs (Quantum Key). Le message sera envoyé en utilisant ces clefs.
L’efficacité de cette méthode (en termes de bits effectifs) peut être évaluer à 25% puisque seulement 1 bit sur 4 sera retenu car il y a 50% des chances que le bit reçu ne corresponde pas au bit attendu et il y aussi 50% des chances que le bit ne soit pas retenu même s’il correspondait au bit attendu. C’est cependant un bon compromis à faire pour avoir un système sécuritaire. Si quelqu’un tente d’intercepter le message, il produira, selon les lois de la physique quantique, un taux d’erreur de 25% dans les clefs. Ce taux peut-être mesuré en utilisant une partie des clefs. Si le taux dépasse 25%, c’est donc qu’il y a quelqu’un qui tente de mesurer le message. Cette vérification diminue un peut l’efficacité du système mais encore là c’est le prix à payer pour avoir la sécurité maximum.
Avec fibre optique
Le groupe de Richard J. Hughes a testé un système de communication quantique basé sur la méthode B92 avec la fibre optique.
Il ont choisi de travailler avec une longueur d’onde de 1.3 um puisqu’à cette valeur l’atténuation est assez basse dans la fibre optique (0.3 db par km). A cette longueur d’onde, il est possible de détecter les photons avec des photodiodes (avalanche photodiodes) au germanium (Ge) ou au InGaAs refroidies. La meilleure solution aurait été d’utiliser des photodiodes au silicium (Si) à une longueur d’onde de 800 nm mais, malheureusement, à cette longueur d’onde l’atténuation est trop élevée dans la fibre optique.
Un test a été réalisé sur une distance de 24 km. Les photons ont été détectés avec une efficacité de 20%, c’est-à-dire qu’en moyenne 20 photons sur 100 envoyés ont été reçus, et le pourcentage d’erreur sur les bits a été de 1.1%.
Dans l’air libre
Les mêmes chercheurs que ceux mentionnés précédemment ont aussi créé un système qui utilise à peu près la même méthode de génération des clefs mais l’information voyage dans l’air libre au lieu de la fibre optique. Une différence avec la fibre optique est que la longueur d’onde est de 772 nm puisque l’atténuation est basse dans l’atmosphère à cette longueur d’onde. A cette valeur, des photodiodes au silicium refroidies sont utilisées comme détecteurs. Des tests ont été réalisés sur une distance de 205 mètres et ont rapporté un pourcentage d’erreur sur la génération des clefs d’environ 1%, ce qui sensiblement la même chose que lorsque la fibre optique est utilisée (1.1%).