Si les ordinateurs quantiques étaient un danger sécuritaire

Le « brouillage » quantique pourrait aider à percer les mystères de la causalité

Pour garantir la sécurité des communications dans un monde post-quantique, les cryptographes explorent en profondeur le concept de cause à effet.

Depuis quelques décennies, les chercheurs savent que les ordinateurs quantiques seront un jour capables de déchiffrer les codes largement utilisés pour sécuriser une grande partie du monde numérique. Pour se prémunir contre ce risque, ils ont consacré des années à développer de nouveaux codes qui semblent à l’ abri des futures attaques de pirates informatiques équipés d’ordinateurs quantiques.

Dans le même temps, ils ont aussi imaginé des méthodes ingénieuses pour utiliser les règles de la mécanique quantique afin de sécuriser les communications. Mais la mécanique quantique, tout comme la mécanique « classique » qui l’a précédée, n’est qu’une théorie de la nature. Que se passera-t-il si elle est un jour supplantée par une théorie plus complète, comme la mécanique quantique a supplanté la physique newtonienne il y a un siècle ? Ces techniques de communication quantique resteront-elles sûres dans un monde où existeront des règles encore plus fondamentales ?

« En matière de protocoles cryptographiques, il est bon d’être prudent », a déclaré Ravishankar Ramanathan , théoricien de l’information quantique à l’Université de Hong Kong, spécialisé en cryptographie quantique. « Essayons de minimiser les hypothèses sous-jacentes au protocole. Supposons qu’un jour, on réalise que la mécanique quantique n’est pas la théorie ultime de la nature. »

C’est une possibilité à envisager. La difficulté des problèmes non résolus — comme la conciliation de la mécanique quantique et de la gravité — laisse penser qu’une théorie post-quantique de la nature pourrait impliquer quelque chose de tout à fait inattendu.

Pour se prémunir contre le risque que leurs protocoles reposent sur des hypothèses erronées, certains cryptographes quantiques recherchent des principes encore plus fondamentaux sur lesquels s’appuyer. Au lieu de partir de la mécanique quantique, ils creusent plus profondément, jusqu’au concept même de causalité.

Un sabotage subtil

Pour comprendre les développements dans ce domaine, il est utile d’examiner la distribution de clés quantiques. Celle-ci exploite les lois de la mécanique quantique pour transmettre une clé – permettant de décoder un message secret – de manière inviolable. La distribution de clés quantiques repose sur l’intrication quantique, qui lie deux particules grâce à l’une de leurs propriétés, comme le spin. L’intrication quantique comporte une sorte de piège. Toute tentative de manipulation de l’intrication – comme le vol de la clé – entraîne sa destruction, révélant ainsi la tentative de sabotage. Ceci est dû à un principe fondamental de la mécanique quantique appelé « monogamie de l’intrication ».

Mais que se passerait-il si ce principe n’était plus valable ? Dans ce cas, si les personnes transmettant le message n’avaient pas un contrôle total de leurs appareils, un tiers pourrait potentiellement modifier subtilement l’intrication des particules, perturbant ainsi la communication sans laisser de trace.

Ce processus est appelé brouillage quantique, et les efforts pour le comprendre ont connu une forte augmentation ces dernières années.

Pour de nombreux scientifiques, le brouillage est fascinant car il peut les aider à mieux comprendre la mécanique quantique et la nature des relations de cause à effet. Ils s’interrogent : existe-t-il des principes fondamentaux qui interdisent le brouillage, qui le rendent impossible ? Ou, si aucun principe ne l’interdit, le brouillage pourrait-il se produire dans le monde réel ?

Jim le Jammer
Michał Eckstein , physicien théoricien à l’Université Jagellonne de Cracovie, en Pologne, aime illustrer le phénomène de l’improvisation par une histoire. Ses protagonistes sont les personnages classiques des explications de la mécanique quantique : Alice et Bob.

« Imaginez Alice et Bob qui rencontrent un magicien, Jim le Bricoleur », a déclaré Eckstein. « Le magicien leur dit : « J’ai deux boules ; l’une est blanche et l’autre noire. » »

Les billes représentent une paire de particules intriquées. Si deux particules sont intriquées, elles possèdent une propriété qui leur est liée d’une manière ou d’une autre : si l’on mesure le spin de la première particule et que l’on constate qu’il est orienté vers le haut, par exemple, le spin de l’autre particule sera inévitablement orienté vers le bas, et inversement. Ceci reste vrai même si l’autre particule se trouve à l’autre bout de l’univers. Ici, les billes sont liées de telle sorte que si l’une est blanche, l’autre sera toujours noire.

Dans un tour de magie classique, Jim laisse les spectateurs assister à la mise en scène : les balles sont placées dans deux boîtes, mélangées, puis remises à Alice et Bob. À ce moment-là, personne ne sait quelle balle se trouve dans quelle boîte.

Alice et Bob montent alors à bord de fusées qui décollent dans des directions opposées à une vitesse proche de celle de la lumière. Au bout d’un moment, Alice ouvre sa boîte et Bob la sienne. Mais entre-temps, Jim a fait un tour de passe-passe et les balles ont changé de place.

Au début, ni Alice ni Bob ne remarquent l’intervention de Jim. Chacun s’attend à avoir une chance sur deux de trouver une boule blanche ou noire, et lorsqu’ils ouvrent leur boîte, la boule est soit blanche, soit noire. Rien de ce que fait Jim ne peut changer cela.

De retour sur Terre, Alice et Bob découvrent la supercherie du magicien. En comparant leurs mesures, ils constatent que les boules sont de la même couleur. Jim a modifié la nature de leur enchevêtrement : au lieu d’être de couleurs opposées, elles sont devenues parfaitement identiques.

Voilà l’idée de base, même si en réalité le processus de brouillage quantique est un peu plus compliqué.

Au milieu des années 1990, Jacob Grunhaus, Sandu Popescu et Daniel Rohrlich exploraient les limites de la théorie quantique, tout en respectant un principe fondamental d’Einstein : l’information ne peut se propager plus vite que la lumière. Les expériences de pensée d’Einstein, menées au milieu du XXe siècle, ont démontré que sans ce principe de « non-signalisation », la notion même de cause à effet serait remise en question. Depuis, ce principe est devenu un postulat essentiel pour les physiciens qui envisagent l’au-delà de la mécanique quantique. « En physique quantique fondamentale, nous prenons très au sérieux le principe de non-signalisation », explique Mirjam Weilenmann, de l’Institut national de recherche Inria.

Grunhaus, Popescu et Rohrlich ont imaginé le brouillage comme une forme de super-intrication capable de perturber les particules intriquées. De même qu’un instrument de mesure permet de déterminer le devenir d’une particule intriquée distante, un dispositif de brouillage hypothétique pourrait modifier la corrélation entre deux particules intriquées distantes. Si cette procédure de brouillage respectait quelques règles fondamentales, affirment certains physiciens, elle perturberait secrètement l’intrication quantique sans altérer la causalité.

L’idée du brouillage quantique est si étrange qu’au départ, les physiciens ne savaient pas trop quoi en faire. « Nous avons publié cet article et l’affaire en est restée là », a déclaré Popescu .

Cause et effet
Vingt ans plus tard, le moment était venu de l’explorer plus en profondeur.

La cryptographie quantique a connu un essor important à mesure que les ordinateurs quantiques passaient du stade théorique à celui d’expérimentations concrètes. Au cours de la première décennie des années 2000, plusieurs équipes ont développé la distribution de clés quantiques indépendante du dispositif, une procédure de cryptographie quantique reposant sur la monogamie de l’intrication.

En 2016, Ramanathan et Paweł Horodecki, travaillant sur ces protocoles, ont découvert l’article de Grunhaus, Popescu et Rohrlich. « Nous avons alors compris que cette propriété de monogamie, fondement de toute la cryptographie indépendante du dispositif, est complètement mise à mal dès lors qu’on autorise ce type de corrélations de brouillage », a déclaré Ramanathan.

Rapidement, le brouillage fit l’objet de vifs débats. De nombreux chercheurs estimaient que cette expérience de pensée omettait un élément important : si le brouillage ne permet pas d’envoyer des signaux plus vite que la lumière, influencer l’état d’une particule quantique distante évoque néanmoins cette « action fantomatique à distance » qui, jadis, a tourmenté Einstein.

Mais pour certains chercheurs, le malaise suscité par le brouillage quantique est source d’inspiration. « Je le vois comme un outil permettant d’affiner notre intuition quant à la définition exacte de la causalité », explique Roger Colbeck , qui a proposé l’un des premiers protocoles de cryptographie indépendante du dispositif dans sa thèse de doctorat de 2006.

Colbeck, actuellement au King’s College de Londres, collabore avec V. Vilasini du centre de recherche Inria de l’Université Grenoble Alpes afin de classifier les mécanismes de cause à effet dans différentes théories. Le brouillage constitue pour eux un cas limite pertinent. Ils recherchent un autre principe fondamental, tel que le principe de non-signalisation, qui explique quelles règles le brouillage enfreint.

Les équipes de Ramanathan et Horodecki ont réagi à ces travaux, ainsi qu’à un article récent de Weilenmann, dans une prépublication de décembre 2025 co-écrite avec Eckstein, Tomasz Miller et Ryszard, le père de Paweł Horodecki. À présent, les chercheurs dialoguent afin de clarifier la terminologie, de dissiper les malentendus et de cerner les principes fondamentaux des théories physiques.

« C’est pour moi la question la plus intéressante », a déclaré Eckstein. « Y a-t-il une nouvelle physique derrière tout cela ? La physique peut-elle inclure de tels phénomènes ? »

JForum.Fr & WIRED