Dans le monde calme et à enjeux élevés de la cryptographie quantique, les scientifiques tentent de construire des verrous qui ne peuvent être forcés, même par un ordinateur utilisant les règles étranges de la mécanique quantique. Pendant des décennies, le fondement de toute communication sécurisée a été la « fonction à sens unique », un verrou mathématique facile à verrouiller mais incroyablement difficile à déverrouiller sans une clé spécifique. Cependant, une nouvelle frontière est apparue, appelée Microcrypt, un domaine théorique où les chercheurs espèrent construire des systèmes quantiques sécurisés même si ces verrous traditionnels à sens unique n'existent pas. L'objectif est de trouver de nouvelles hypothèses plus faibles, mais suffisamment robustes pour protéger les secrets. Pour ce faire, ils ont proposé de nouveaux types d'objets numériques, tels que des « états pseudopseudo-aléatoires » et des « unitaires pseudo-aléatoires », conçus pour ressembler à un bruit aléatoire pour quiconque ne possède pas la clé secrète, tout en étant en réalité générés par un processus spécifique et caché. La grande question était de savoir si ces nouveaux objets pouvaient réellement exister sans dépendre des anciens verrous plus forts, ou s'ils en dépendaient secrètement.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara, de l'Université de l'Illinois et de NTT Research a maintenant répondu à cette question par un « non » décisif pour de nombreux candidats de premier plan. Ils ont développé une nouvelle méthode pour analyser ces objets quantiques et ont prouvé que plusieurs conceptions populaires, qui étaient considérées comme sûres même sans fonctions à sens unique traditionnelles, échouent en fait face à un type spécifique d'adversaire puissant. Leurs travaux montrent que si vous essayez de construire ces verrous quantiques en utilisant certains schémas architecturaux courants, vous créez par inadvertance une fonction à sens unique traditionnelle de toute façon. Cela signifie que la promesse de construire la cryptographie quantique sur des fondations plus faibles est plus difficile que prévu, et que beaucoup des designs favoris actuels ne sont pas la solution.

La percée des chercheurs provient d'une technique qu'ils appellent la « tomographie d'ombre », qui est une façon de prendre un état quantique et d'en créer un enregistrement classique compact. Imaginez essayer de comprendre la forme d'un objet complexe et invisible en projetant de la lumière dessus sous différents angles et en enregistrant les ombres qu'il projette. Dans le monde quantique, ce processus implique de mesurer des copies d'un état quantique pour recueillir des informations sur sa structure. L'équipe a réalisé que pour une large classe de ces états quantiques proposés, l'information recueillie à partir de ces ombres est si structurée qu'un ordinateur ayant accès à un assistant logique spécifique — un « oracle NP » — peut l'utiliser pour rétro-concevoir la clé secrète. Un oracle NP est un outil théorique capable de résoudre instantanément certains types de problèmes de recherche complexes, agissant comme un assistant super-intelligent capable de vérifier si une solution existe sans avoir à tester chaque possibilité une par une.

Les chercheurs ont démontré que pour de nombreux états quantiques proposés, le processus de recherche de la clé secrète devient une tâche de recherche simple pour cet assistant. Ils ont montré que si l'état quantique est « calculable », c'est-à-dire que ses nombres internes peuvent être calculés par un ordinateur standard, alors un adversaire doté de cet assistant logique peut découvrir efficacement la clé. Cela brise efficacement la sécurité du système. L'équipe a appliqué cette méthode à un candidat de premier plan connu sous le nom d'États de Phase Hamiltonienne, qui était largement considéré comme un bloc de construction sûr pour la cryptographie sans fonctions à sens unique. Leur analyse a prouvé que ces états ne sont pas sûrs ; s'ils existent, ils impliquent l'existence d'une fonction à sens unique traditionnelle. Ce résultat brise l'espoir que ce design spécifique puisse contourner le besoin de suppositions plus fortes.

L'enquête ne s'est pas arrêtée aux états. Les chercheurs ont également porté leur attention sur les « unitaires pseudo-aléatoires », qui sont des opérations quantiques plus complexes qui transforment les données d'une manière qui semble aléatoire. Ils sont considérés comme les outils les plus puissants de la boîte à outils de la Microcrypt. L'équipe a identifié un motif architectural commun utilisé dans beaucoup des designs les plus prometteurs pour ces unitaires : une structure où une couche simple et prévisible est prise en sandwich entre deux couches d'opérations « Clifford », qui sont un type spécifique de porte quantique. Ils ont découvert que cet arrangement spécifique, connu sous le nom de construction CMC, laisse une empreinte distincte. En utilisant un type spécial de mesure impliquant des paires de particules intriquées, ils pouvaient extraire des indices classiques sur la permutation cachée à l'intérieur de la couche intermédiaire. Avec l'aide de l'assistant logique, ils pouvaient ensuite rechercher une clé qui explique tous les indices observés. Si l'unitaire était véritablement aléatoire, aucune clé unique n'expliquerait jamais tous les indices. Mais s'il était construit selon cette architecture spécifique, la bonne clé correspondrait toujours parfaitement aux indices.

Cette découverte signifie qu'une large gamme de propositions récentes pour les unitaires quantiques sécurisés, y compris celles qui ont été explicitement conçues pour éviter les fonctions à sens unique, sont en fait vulnérables. Les chercheurs ont montré que ces designs peuvent être distingués du vrai hasard et que leurs clés secrètes peuvent être récupérées. Ils ont testé leur méthode contre plusieurs constructions bien connues, telles que celles basées sur des structures « PFC » (Permutation-Function-Clifford) et diverses conceptions « LRFC » (Luby-Rackoff-Function-Clifford). Dans chaque cas où la couche intermédiaire était une permutation simple ou un déphasage, l'attaque a réussi. L'équipe a prouvé que ces architectures ne peuvent pas être le fondement de la Microcrypt car elles mènent inévitablement au retour de l'existence des fonctions à sens unique, déjouant ainsi l'objectif de tenter de construire la cryptographie sur des hypothèses plus faibles.

Cependant, l'article ne ferme pas la porte à la Microcrypt pour autant. Les chercheurs ont soigneusement cartographié les conceptions qui ont survécu à leur attaque et celles qui ne l'ont pas fait. Ils ont trouvé que les constructions impliquant plusieurs couches de mélange se chevauchant ou qui utilisent des opérations non-Clifford secrètes aux extrémités pourraient encore être sûres. Ces candidats survivants sont désormais l'objet de recherches futures. Le travail sert de guide crucial, ou d'un ensemble de garde-fous, pour le domaine. Il indique aux scientifiques ce qu'ils ne doivent pas construire, les empêchant de perdre du temps sur des plans qui sont fondamentalement défectueux. En éliminant ces approches communes, les chercheurs ont forcé la communauté à chercher des architectures fondamentalement différentes qui ne créent pas par inadvertance des fonctions à sens unique.

Les implications de ce travail sont profondes pour l'avenir de la sécurité quantique. Elles clarifient que le chemin pour construire la cryptographie quantique sans fonctions à sens unique est plus étroit et plus périlleux qu'on ne le pensait. Les chercheurs ont fourni une méthode rigoureuse pour tester les nouvelles propositions, garantissant que les futurs designs ne soient pas seulement théoriquement intéressants, mais réellement sécurisés contre les attaques les plus puissantes connues. Leurs conclusions suggèrent que si la Microcrypt doit être réalisée, elle nécessitera des manières entièrement nouvelles de penser les opérations quantiques, en s'éloignant des modèles familiers qui ont dominé le domaine jusqu'à présent. Ce travail témoigne de la puissance de l'analyse systématique en science, où prouver ce qui ne fonctionne pas est tout aussi important que de découvrir ce qui fonctionne.