Apocalypse quantique : la fin de la cybersécurité pour demain ?

Source: The Conversation – France in French (2) – By Simon Abelard, Enseignant-chercheur, EPITA

L’ESSENTIEL

Une grande partie de la cryptographie moderne repose sur l’existence de problèmes mathématiques difficiles à résoudre.
Ces problèmes sont conçus de telle sorte que le calcul qui permettrait de les résoudre n’est pas possible en pratique, soit parce qu’il prendrait des milliards d’années, soit parce qu’il nécessiterait de couvrir la Terre de superordinateurs.
L’ordinateur quantique est le genre d’outil qui peut dynamiter la cryptographie, car il pourrait casser ces limites de calcul. On estime aujourd’hui qu’environ deux tiers des connexions à des sites web sont déjà sécurisées par des algorithmes post-quantiques.

Les promesses de l’ordinateur quantique sont nombreuses dans des secteurs comme l’industrie pharmaceutique pour laquelle il pourrait permettre d’inventer de nouvelles molécules ou de prédire leur efficacité thérapeutique. En cryptologie, en revanche, il a tout du cauchemar. En effet, l’avènement d’un ordinateur quantique suffisamment performant viendrait remettre en cause la sécurité de l’Internet, des données privées collectées et des moyens de paiements modernes.

À l’image d’un récent post des équipes de Google, chaque progrès en la matière est donc scruté avec attention par les scientifiques.

Anatomie d’une menace

La méfiance des cryptologues à l’égard des ordinateurs quantiques tient au fait qu’une grande partie de la cryptographie moderne dite « asymétrique » ou « à clé publique » repose sur l’existence de problèmes mathématiques difficiles à résoudre. La cryptographie à clé publique est une révolution qui date du milieu des années 1970 et qui est essentielle à l’Internet sécurisé ainsi qu’aux paiements électroniques.

En effet, jusqu’à l’invention, en 1975, du protocole de Diffie-Hellman, on ne connaissait que la cryptographie dite symétrique, qui nécessite que chacun des deux interlocuteurs connaisse un secret partagé, posant alors la problématique de la transmission de ce secret.

Le protocole de Diffie-Hellman résout ce problème apparemment insoluble de la façon suivante : chaque personne possède deux clés, une secrète et l’autre publique. Ainsi, deux personnes (chez les cryptologues, il est d’usage de les appeler Alice et Bob) souhaitent communiquer, Alice va combiner sa clé secrète avec la clé publique de Bob et Bob va faire de même avec sa propre clé secrète et la clé publique d’Alice. La beauté du protocole de Diffie-Hellman consiste à garantir qu’en faisant ceci Alice et Bob obtiendront un secret commun sans avoir transmis une seule information secrète. De plus, ce protocole permet non seulement à Alice et Bob de communiquer, mais aussi à un nombre arbitraire d’utilisateurs : là où la cryptographie symétrique nécessitait l’échange de l’ordre de n² clés secrètes entre n utilisateurs, il suffit désormais que chacun possède une seule paire de clés, une publique et une privée, réduisant ainsi drastiquement la complexité de la gestion des clés.

Lorsqu’une personne génère une paire de clés, elle commence par générer aléatoirement une clé privée qu’elle sera la seule à connaître, puis elle en déduit une clé publique qu’elle diffuse (soit directement, soit en la mettant dans un annuaire). Pour des raisons évidentes de sécurité, il faut s’assurer qu’il n’est pas possible de calculer la clé secrète d’une personne à partir de sa clé publique. C’est précisément là qu’interviennent les problèmes mathématiques difficiles : nos systèmes sont conçus de telle sorte qu’un tel calcul ne soit pas possible en pratique, soit parce qu’il prendrait des milliards d’années, soit parce qu’il nécessiterait de couvrir la Terre de superordinateurs.

La notion de difficulté est bien sûr toute relative : s’il est difficile d’enfoncer une porte blindée à mains nues, il est bien plus simple de l’attaquer avec un chalumeau ou des explosifs. Or l’ordinateur quantique est précisément le genre d’outil qui peut dynamiter la cryptographie asymétrique. Cet état de fait est connu depuis l’algorithme de Shor inventé en 1995. Il s’agit d’un algorithme quantique qui permet de résoudre les deux grands problèmes mathématiques sur lesquels repose la cryptographie asymétrique depuis cinquante ans : la factorisation (étant donné le produit N=a*b, trouver les facteurs a et b) et le logarithme discret (étant donné un nombre g élevé à la puissance s, retrouver s). À l’époque, cela ne préoccupait guère les cryptologues tant la menace semblait lointaine : il semblait peu probable que l’on parvienne à créer un ordinateur quantique dans un futur suffisamment proche.

L’accélération de la menace

C’est en 2015 que tout bascule avec une prise de position de la National Security Agency (NSA) américaine soulignant l’urgence de se préparer à la menace quantique. Cette alerte sera suivie d’effet puisque le National Institute of Standards and Technology (NIST), une autre agence américaine, lance dès l’année suivante une campagne de normalisation visant à identifier les algorithmes cryptographiques du futur. L’objectif est de spécifier un algorithme qui sera utilisé par tout le monde et qui doit donc être fiable et efficace. Pour ce faire, le NIST a lancé un appel à soumissions et a choisi les meilleures propositions (en termes de fiabilité, performance et adéquation à certains cas d’usage).

Comme leurs prédécesseurs, ces nouveaux algorithmes reposent sur des problèmes mathématiques réputés difficiles afin de garantir qu’il est toujours impossible de retrouver les clés secrètes à partir des clés publiques. La différence principale tient au fait qu’on cherche désormais des problèmes mathématiques qui soient également difficiles à résoudre pour un ordinateur quantique.

Lors de la campagne du NIST, les chercheurs et les ingénieurs du monde entier ont proposé plus de quatre-vingts algorithmes supposés résister à l’ordinateur quantique. L’agence américaine les a passés en revue avec beaucoup de soin en se basant sur des critères de sécurité, bien sûr, mais aussi de performance et d’adéquation aux principaux cas d’usages. Il faut souligner l’effort de toute la communauté scientifique qui a tenté, parfois avec succès, de « casser » ces nouveaux algorithmes.

Les premières normes ont été publiées en 2024 par le NIST, ce qui illustre encore une fois le sérieux de la campagne et le fait que changer d’algorithmes de cryptographie ne peut se faire que dans le temps long. Il faut signaler que ce processus est toujours en cours afin d’identifier des normes alternatives, principalement dans l’optique de ne pas mettre tous ses œufs dans le même panier. Il s’agit d’avoir des solutions de repli si certains algorithmes venaient à être cassés dans le futur.

En parallèle de ce processus, la communauté scientifique a cherché à estimer à partir de quelle puissance un ordinateur quantique pourrait représenter une réelle menace pour la cryptographie actuelle. Cette notion de puissance s’envisage en nombre de qubits, l’analogue quantique des bits pour un ordinateur classique. Les qubits tirent profit de propriétés de la mécanique quantique telles que la superposition (un seul qubit contient une information plus riche qu’un bit classique qui ne peut valoir que 0 ou 1) et l’intrication (on peut créer des qubits dépendant les uns des autres). Cela signifie qu’un ordinateur quantique même avec « seulement » un million de qubits peut faire des calculs bien plus complexes qu’un ordinateur classique possédant plusieurs téraoctets (des millions de millions de bits) de mémoire vive.

Créer un ordinateur quantique avec un nombre de qubits assez grand est un véritable défi technologique et l’on voit apparaître deux phénomènes : d’un côté, les ordinateurs quantiques proposés par les principaux acteurs du marché contiennent de plus en plus de qubits (de l’ordre de la centaine) tandis que les chercheurs optimisent l’algorithme de Shor pour qu’il soit toujours moins gourmand en qubits. Le jour où le nombre de qubits nécessaires sera inférieur au nombre de qubits disponibles sur un ordinateur quantique, la cryptographie actuelle ne sera plus sûre.

Une récente annonce de Google suggère que ce jour est plus proche que nous le pensions : une de leurs équipes estime qu’il suffirait de 500 000 qubits pour casser les principaux algorithmes utilisés aujourd’hui. Même si un tel nombre de qubits reste plus de cent fois supérieur à ce qui se fait de mieux à l’heure actuelle, c’est tout de même vingt fois moins que la précédente estimation ! Il s’agit donc à juste titre d’une avancée significative qui peut légitimement nous amener à revoir nos prévisions.

Dans ce contexte, le rapport Quantum Technologies and Quantum-Safe Cryptography du Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI, Office fédéral de la sécurité des technologies de l’information) met également en évidence un risque concret lié au scénario dit « Harvest Now, Decrypt Later » (récolter maintenant, déchiffrer plus tard), dans lequel des adversaires collectent dès aujourd’hui des données chiffrées dans l’attente de futurs ordinateurs quantiques capables de les déchiffrer.

La cryptographie sera post-quantique ou ne sera pas

Face à cette menace, les agences de sécurité de nombreux états ont déjà commencé à planifier l’inévitable transition vers des normes cryptographiques dites post-quantiques, c’est-à-dire résistantes à l’ordinateur quantique. En Europe comme aux États-Unis, ces agences recommandent de remplacer la cryptographie actuelle par la cryptographie post-quantique entre 2030 et 2035, selon la sensibilité des applications visées. Pour les entreprises comme pour les acteurs publics, la cryptographie post-quantique n’est donc pas une option, à tel point que de nombreux acteurs de la défense, du secteur bancaire ou de l’Internet n’ont pas attendu qu’on leur impose cette transition. On estime aujourd’hui qu’environ deux tiers des connexions à des sites web sont déjà sécurisés par des algorithmes post-quantiques, et les utilisateurs de la messagerie instantanée Signal font d’ores et déjà confiance à la cryptographie post-quantique (peut-être à leur insu).

Il n’empêche que la transition post-quantique demeure une tâche titanesque et d’autant plus urgente qu’elle ne se fera pas en un jour : s’il a déjà fallu huit ans pour aboutir aux normes cryptographiques post-quantiques, de nombreux secteurs doivent encore acheter des produits commerciaux intégrant ces normes et les déployer d’ici cinq à dix ans. À cette urgence s’ajoute le cas des secrets à long terme, ces données produites aujourd’hui mais qui doivent rester confidentielles pour les décennies à venir et qu’il faut donc dès aujourd’hui protéger par de la cryptographie post-quantique. C’est d’autant plus critique pour les matériels ne pouvant pas évoluer : il serait par exemple impensable qu’un satellite lancé aujourd’hui ne soit pas capable de résister à la menace quantique.

L’annonce de Google doit renforcer notre sentiment d’urgence car nous ne disposons peut-être pas d’autant de temps que nous ne l’espérions : certaines voix annoncent qu’ils pourraient être nécessaire d’accélérer ce déploiement afin d’être prêts dès 2029, ce qui montre bien à quel point ces travaux sont pris au sérieux.

Les enjeux du post-quantique

Face à une telle révolution, il serait contre-productif de sombrer dans le défaitisme ou la paranoïa car ce défi porte autant de risques que d’opportunités. Pour de nombreux acteurs du marché qui ont su négocier le virage, ce rebattage des cartes est l’occasion de capter de nouveaux leviers de croissance. Pour les autres, il est crucial de ne pas se laisser distancer car le sujet quantique n’est pas uniquement l’apanage des ingénieurs : les décideurs auront un rôle essentiel à jouer afin de planifier et d’investir intelligemment dans l’inévitable renouvellement de leur infrastructure cryptographique.

C’est aussi un enjeu d’éducation et de culture scientifique face auquel les enseignants et les enseignants-chercheurs sont en première ligne. Il faut renouveler l’enseignement de la cryptographie au niveau post-bac, afin de former la nouvelle génération à la cryptographie post-quantique.

Pour ne pas rater ce train, Pierre-Alain Fouque, Pascal Lafourcarde et Ludovic Perret viennent de publier le premier livre de cours consacré au post-quantique, destiné aux étudiants en master et d’école d’ingénieurs, mais aussi en formation continue. Ce livre a pour objectif de comprendre la menace quantique, les nouvelles normes de cryptographie post-quantique et les enjeux liés à la transition de nos infrastructures numériques vers une cryptographie résistante au quantique.

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.

– ref. Apocalypse quantique : la fin de la cybersécurité pour demain ? – https://theconversation.com/apocalypse-quantique-la-fin-de-la-cybersecurite-pour-demain-286607