Qu’est-ce que le quantum computing ? Une explication simple

Qu’est-ce que le quantum computing en termes simples ?

Le quantum computing est la manière dont les ordinateurs quantiques effectuent des calculs. Un ordinateur quantique est donc l’appareil, tandis que le quantum computing désigne la technologie et la méthode de calcul qui se trouvent derrière.

Un ordinateur quantique fonctionne différemment d’un ordinateur classique. Là où un ordinateur ordinaire fonctionne avec des bits qui valent 0 ou 1, un ordinateur quantique utilise des qubits.

Ces qubits peuvent traiter l’information d’une autre manière. Grâce à cela, les ordinateurs quantiques peuvent aborder certains problèmes très spécifiques différemment des ordinateurs ordinaires. Pensez par exemple au calcul de molécules pour la recherche de nouveaux médicaments et matériaux, ou à certains problèmes mathématiques qui exigent beaucoup de calculs pour les ordinateurs classiques.

Cela ne signifie pas qu’un ordinateur quantique est automatiquement plus rapide. Pour les tâches courantes, comme naviguer sur Internet, passer des appels vidéo, utiliser des feuilles de calcul ou faire tourner des serveurs, un ordinateur classique reste bien plus adapté.

Les ordinateurs quantiques ne remplaceront donc probablement pas les ordinateurs ordinaires. En pratique, les deux types d’ordinateurs seront plutôt utilisés côte à côte, l’ordinateur quantique n’étant mobilisé que pour les problèmes pour lesquels cette approche peut réellement apporter un avantage.

À retenir

• Le quantum computing utilise des qubits au lieu de simples bits.
• Les qubits peuvent présenter des propriétés comme la superposition et l’intrication quantique.
• Un ordinateur quantique n’est pas plus rapide qu’un ordinateur classique pour toutes les tâches.
• Cette technologie peut surtout être utile pour des problèmes complexes spécifiques.
• Un ordinateur quantique suffisamment puissant peut, à terme, poser des risques pour la cryptographie et la crypto.

Comment fonctionne le quantum computing ?

Un ordinateur quantique effectue un calcul avec des qubits. D’abord, ces qubits sont placés dans un certain état initial. Ensuite, l’ordinateur applique des opérations sur les qubits et, à la fin, ils sont mesurés.

Ces opérations s’appellent des portes quantiques, ou gates. Vous pouvez les voir comme des instructions qui modifient l’état d’un qubit. En enchaînant plusieurs de ces instructions, on obtient un algorithme quantique.

Pendant un calcul, les qubits peuvent aussi s’influencer mutuellement. Les algorithmes quantiques utilisent cela pour augmenter ou réduire la probabilité de certains résultats. L’objectif est que le résultat souhaité apparaisse plus souvent lorsque les qubits sont mesurés.

Après la mesure, vous obtenez des valeurs ordinaires, comme 0 et 1. Un ordinateur quantique ne fournit donc pas automatiquement toutes les réponses possibles en même temps. L’algorithme doit être construit de manière à ce qu’un résultat exploitable ait une forte probabilité d’être mesuré.

Que sont les qubits ?

Un qubit est l’unité de base avec laquelle un ordinateur quantique traite l’information. Vous pouvez comparer un qubit à un bit dans un ordinateur classique.

Un bit classique vaut 0 ou 1. Un qubit fonctionne autrement. Avant la mesure, son état peut faire en sorte que 0 et 1 soient tous deux des résultats possibles. Ce n’est qu’au moment où vous mesurez le qubit que vous obtenez un seul résultat : 0 ou 1.

Les qubits ne sont pas des composants informatiques ordinaires. Les chercheurs peuvent par exemple les créer à l’aide de circuits électriques très petits, d’atomes, d’ions ou de particules de lumière.

Le grand défi est que les qubits sont très sensibles à leur environnement. La chaleur, les vibrations et le bruit électromagnétique peuvent perturber un calcul. C’est pourquoi il est difficile de construire de grands ordinateurs quantiques capables de calculer de manière fiable pendant suffisamment longtemps.

Qu’est-ce que la superposition (superposition) ?

La superposition est le nom du phénomène par lequel un qubit, avant la mesure, n’est pas simplement fixé à 0 ou à 1.

On peut la voir comme plusieurs résultats possibles faisant partie d’un même état quantique. Lors de la mesure, vous n’obtenez toutefois qu’un seul résultat.

Avec deux qubits, par exemple, quatre résultats sont possibles :

• 00
• 01
• 10
• 11

Un ordinateur quantique peut, pendant le calcul, travailler avec un état dans lequel toutes ces possibilités jouent un rôle. Cela ne signifie pas pour autant qu’après coup vous pouvez lire les quatre réponses en même temps. Après une mesure, vous obtenez un seul résultat.

C’est pourquoi un algorithme quantique doit orienter le calcul de manière à ce qu’un résultat exploitable ait une plus grande chance d’être mesuré.

Exemple : Supposons que deux qubits puissent finalement produire 00, 01, 10 ou 11. Un bon algorithme quantique essaie de rendre aussi grande que possible la probabilité du résultat souhaité, par exemple 10.

Qu’est-ce que l’intrication quantique (quantum entanglement) ?

Avec l’intrication quantique, deux qubits ou plus deviennent tellement liés que leur état ne peut plus être décrit complètement séparément.

Supposons par exemple que deux qubits soient intriqués de telle sorte qu’une mesure donne toujours 00 ou 11. Si vous mesurez le premier qubit à 0, vous mesurerez aussi 0 pour l’autre dans cet exemple. Si vous obtenez 1, vous obtiendrez aussi 1 pour l’autre.

Les ordinateurs quantiques peuvent utiliser de telles relations pendant les calculs. Avec la superposition et d’autres phénomènes quantiques, cela rend possibles des calculs qui fonctionnent différemment de ceux d’un ordinateur classique.

L’intrication quantique ne signifie d’ailleurs pas que vous pouvez transmettre de l’information plus vite que la lumière. En effet, vous ne pouvez pas choisir vous-même le résultat de la mesure.

Quelle est la différence entre les ordinateurs quantiques et les ordinateurs classiques ?

La différence principale est qu’un ordinateur classique fonctionne avec des bits, tandis qu’un ordinateur quantique utilise des qubits. Un bit ordinaire vaut 0 ou 1. Un qubit fonctionne selon les règles de la mécanique quantique et peut donc traiter l’information d’une autre manière.

Les ordinateurs quantiques utilisent des phénomènes comme la superposition (superposition) et l’intrication quantique (quantum entanglement). Ils fonctionnent aussi avec des opérations spéciales, appelées portes quantiques ou gates.

Cela ne signifie pas qu’un ordinateur quantique est automatiquement meilleur ou plus rapide. Pour la plupart des tâches quotidiennes, les ordinateurs classiques sont bien plus adaptés. Pensez à naviguer sur Internet, traiter des fichiers, passer des appels vidéo ou faire tourner des serveurs.

Les ordinateurs quantiques sont surtout intéressants pour un nombre limité de problèmes pour lesquels il existe des algorithmes quantiques spécifiques.

Une autre différence est que les qubits sont beaucoup plus sensibles aux perturbations que les bits ordinaires. La chaleur, le bruit électromagnétique et d’autres influences de l’environnement peuvent provoquer des erreurs. C’est pourquoi il est difficile de construire de grands ordinateurs quantiques qui restent fiables assez longtemps.

Le nombre de qubits, à lui seul, ne dit pas non plus ce qu’un ordinateur quantique peut faire. Il importe aussi, par exemple, de savoir à quelle fréquence des erreurs se produisent, dans quelle mesure les qubits peuvent coopérer entre eux et à quel point ces erreurs peuvent être corrigées.

À l’avenir, les ordinateurs quantiques et les ordinateurs classiques seront probablement utilisés côte à côte. Un ordinateur classique pourra par exemple assurer le traitement ordinaire et le contrôle, tandis qu’un ordinateur quantique n’exécutera qu’une partie spécifique d’un calcul difficile.

À quoi peut servir le quantum computing ?

Le quantum computing peut surtout être intéressant pour des problèmes très difficiles pour les ordinateurs classiques.

Un exemple important est la simulation de la nature elle-même. Les molécules et les matériaux se comportent à très petite échelle selon la mécanique quantique. Un ordinateur quantique peut donc, en théorie, être adapté à la reproduction de tels systèmes.

Les applications possibles sont par exemple :

• la recherche de nouveaux médicaments ;
• la découverte de nouveaux matériaux ;
• la simulation de réactions chimiques ;
• certains problèmes de planification et d’optimisation ;
• certains calculs mathématiques et cryptographiques.

En optimisation, on peut par exemple penser à la recherche d’un bon itinéraire, à la planification de la production ou à la répartition logistique. De nombreuses recherches sont menées sur ce sujet, mais les ordinateurs quantiques n’ont pas encore d’avantage pratique démontré pour tous les types de problèmes d’optimisation.

Un exemple bien connu en mathématiques est l’algorithme de Shor. Il s’agit d’un algorithme quantique grâce auquel un ordinateur quantique suffisamment puissant pourrait résoudre certains problèmes mathématiques beaucoup plus efficacement que les méthodes classiques connues.

Cela est particulièrement important pour la cryptographie, car certaines méthodes de sécurité reposent précisément sur le fait que de tels calculs sont extrêmement difficiles pour les ordinateurs ordinaires.

De nombreuses applications du quantum computing en sont encore au stade de la recherche. Une expérience dans laquelle un ordinateur quantique exécute mieux une tâche précise ne signifie donc pas automatiquement que cette technologie est déjà directement utilisable pour les entreprises ou les consommateurs.

Quel impact le quantum computing a-t-il sur la cryptographie ?

Le quantum computing peut, à l’avenir, avoir des conséquences pour certaines formes de cryptographie.

La cryptographie à clé publique (public-key cryptography) est particulièrement importante. Elle repose sur une clé publique que vous pouvez partager avec d’autres et sur une clé privée qui doit rester secrète.

La sécurité de ces systèmes repose sur des problèmes mathématiques qui sont pratiquement impossibles à résoudre pour les ordinateurs ordinaires dans un délai utile.

Un ordinateur quantique suffisamment puissant pourrait résoudre certains de ces problèmes beaucoup plus efficacement grâce à l’algorithme de Shor. Certaines formes de chiffrement et de signatures numériques pourraient alors devenir vulnérables.

Cela peut avoir des conséquences de deux manières.

Dans le cas du chiffrement, quelqu’un pourrait éventuellement déchiffrer des informations qui devaient rester secrètes.

Dans le cas des signatures numériques, quelqu’un pourrait éventuellement imiter une signature valide sans posséder la véritable clé privée.

Toute la cryptographie n’est pas touchée de la même manière. Le chiffrement symétrique et les fonctions de hachage ne sont pas attaqués de la même façon fondamentale par l’algorithme de Shor.

Pour ces systèmes, l’algorithme de Grover est surtout pertinent. Il peut en théorie accélérer certains problèmes de recherche, ce qui peut nécessiter une marge de sécurité plus importante.

À l’heure actuelle, il n’existe pas encore d’ordinateur quantique capable de casser de manière pratique, à grande échelle, la cryptographie couramment utilisée.

Il existe toutefois déjà un risque pour les informations qui doivent rester secrètes pendant de nombreuses années. Un attaquant peut stocker aujourd’hui des données chiffrées et espérer les déchiffrer plus tard avec un ordinateur quantique plus puissant. C’est ce qu’on appelle harvest now, decrypt later.

Quelles méthodes cryptographiques peuvent devenir vulnérables ?

La cryptographie qui repose sur la factorisation ou sur le problème du logarithme discret peut surtout devenir vulnérable face à un ordinateur quantique suffisamment puissant.

RSA en est un exemple connu. La sécurité de RSA repose sur le fait qu’il est très difficile pour les ordinateurs ordinaires de décomposer de très grands nombres en facteurs.

Diffie-Hellman, ECDH, DSA, ECDSA et les signatures Schnorr peuvent aussi devenir vulnérables.

Beaucoup de ces techniques utilisent le problème du logarithme discret. Il s’agit d’un problème mathématique difficile pour les ordinateurs classiques, mais pour lequel l’algorithme de Shor offre une approche beaucoup plus efficace.

Pour la crypto, la cryptographie à courbe elliptique, abrégée ECC, est particulièrement importante. De nombreuses blockchains utilisent l’ECC pour créer des signatures numériques.

Avec une telle signature, vous prouvez que vous êtes autorisé à effectuer une transaction sans rendre publique votre clé privée.

Si un futur ordinateur quantique pouvait calculer la clé privée correspondante à partir d’une clé publique, un attaquant pourrait éventuellement aussi imiter des signatures valides.

D’autres techniques, comme AES et les fonctions de hachage, sont touchées différemment. L’algorithme de Grover peut accélérer certains types de recherche, mais il ne casse pas ces techniques de la même manière que l’algorithme de Shor peut affecter RSA et l’ECC.

Quelles sont les limites du quantum computing ?

Les ordinateurs quantiques ont encore de grandes limites techniques.

Un problème important est que les qubits sont très sensibles aux perturbations. La chaleur, le rayonnement électromagnétique et d’autres formes de bruit peuvent modifier l’état quantique.

Cette perte de l’état quantique souhaité s’appelle la décohérence (decoherence).

Si trop d’erreurs se produisent pendant un calcul, la réponse n’est plus fiable. C’est pourquoi la correction d’erreurs quantiques (quantum error correction) est importante.

Pour cela, plusieurs qubits physiques sont utilisés ensemble afin de former un qubit logique plus fiable.

Cela signifie qu’un ordinateur quantique doté de nombreux qubits physiques peut, au final, n’avoir que beaucoup moins de qubits logiques réellement exploitables.

L’évolutivité est également difficile. Il ne suffit pas de construire simplement toujours plus de qubits. Ils doivent aussi être correctement contrôlés, pouvoir coopérer entre eux et rester fiables suffisamment longtemps.

En outre, le quantum computing n’apporte pas d’avantage pour chaque problème. Il faut qu’un algorithme quantique existe et puisse traiter le problème de manière utile.

Les ordinateurs quantiques ne sont donc pas un remplacement général des ordinateurs classiques. Ils sont surtout destinés à des types de calculs spécifiques.

Quels risques le quantum computing fait-il peser sur la crypto ?

Pour la crypto, un risque quantique important concerne les signatures numériques.

De nombreuses blockchains utilisent une clé publique et une clé privée. La clé privée sert à signer les transactions. La clé publique peut être utilisée pour vérifier cette signature.

Un futur ordinateur quantique puissant pourrait éventuellement calculer la clé privée correspondante à partir de la clé publique dans certains systèmes cryptographiques.

Un attaquant pourrait alors éventuellement créer lui-même des signatures valides et déplacer de la crypto sans l’autorisation du véritable propriétaire.

L’ampleur exacte de ce risque varie selon la blockchain.

Cela dépend par exemple :

• de la cryptographie utilisée par la blockchain ;
• du moment où une clé publique devient visible ;
• de la manière dont les utilisateurs utilisent leur wallet crypto ;
• de la facilité avec laquelle le protocole peut être modifié.

La transition vers une nouvelle sécurité peut aussi comporter des risques.

La blockchain elle-même ne doit pas seulement prendre en charge une nouvelle cryptographie. Les wallets, les plateformes d’échange crypto, les solutions de conservation et d’autres logiciels doivent aussi être adaptés à temps.

Les nouvelles signatures post-quantiques peuvent en outre être plus volumineuses que les signatures actuelles. Cela peut avoir des conséquences sur la taille des transactions, le stockage, la bande passante, le temps de traitement et les frais.

Les systèmes en dehors de la blockchain peuvent aussi être touchés. Pensez aux communications chiffrées, aux données stockées ou à d’autres éléments de l’infrastructure autour de la crypto.

Dans ce domaine, harvest now, decrypt later peut même devenir un problème plus tôt que sur la blockchain elle-même.

Le quantum computing peut-il casser Bitcoin ?

Pas avec les ordinateurs quantiques qui existent aujourd’hui.

Pour attaquer Bitcoin de manière pratique avec le quantum computing, il faudrait un ordinateur quantique beaucoup plus puissant et tolérant aux erreurs. Un tel système n’existe pas actuellement et on ne sait pas quand cela changera.

Bitcoin utilise la cryptographie à courbe elliptique pour les signatures numériques.

Les transactions Bitcoin traditionnelles utilisent ECDSA avec la courbe secp256k1. Depuis la mise à niveau Taproot, Bitcoin prend aussi en charge les signatures Schnorr.

Ces deux techniques peuvent en théorie devenir vulnérables à l’algorithme de Shor.

Un détail important est le moment où la clé publique devient visible.

Pour certaines adresses Bitcoin, seule une empreinte de la clé publique figure d’abord sur la blockchain. Lorsque vous dépensez le bitcoin, la clé publique complète devient visible.

Cela signifie que le risque ne fonctionne pas exactement de la même manière pour chaque bitcoin.

Il est donc trop simple de dire qu’un ordinateur quantique pourra bientôt « casser Bitcoin » automatiquement.

Une attaque dépend notamment de la puissance de l’ordinateur quantique, des clés publiques visibles, de la vitesse à laquelle une telle attaque peut être menée et de la réaction du réseau Bitcoin.

Les fonctions de hachage comme SHA-256 ne sont pas non plus touchées de la même manière que les signatures numériques.

L’algorithme de Grover peut en théorie accélérer certaines attaques, mais il s’agit d’un risque différent de l’attaque de l’algorithme de Shor contre la cryptographie à courbe elliptique.

Comment les blockchains peuvent-elles se protéger contre les ordinateurs quantiques ?

La principale solution consiste à remplacer la cryptographie vulnérable par une cryptographie censée résister aux attaques quantiques.

Cela s’appelle la cryptographie post-quantique (post-quantum cryptography).

Pour les blockchains, cela signifie par exemple que de nouveaux types d’adresses et de signatures numériques peuvent être ajoutés.

Les utilisateurs peuvent ensuite transférer leur crypto vers des adresses qui utilisent cette nouvelle sécurité.

Un concept important ici est la crypto-agilité. Cela désigne la capacité d’un système à remplacer sa sécurité cryptographique lorsque cela est nécessaire.

Pour une blockchain, ce n’est pas simple. Le protocole doit être modifié et les wallets, les plateformes d’échange et les autres logiciels doivent prendre en charge les nouvelles règles.

Les utilisateurs existants doivent aussi avoir la possibilité de déplacer leur crypto en toute sécurité.

Pour Bitcoin, il peut également être utile de ne pas réutiliser inutilement les adresses et les clés publiques. Ainsi, une clé publique reste visible moins longtemps.

Cela ne constitue toutefois pas une solution complète. Lorsqu’une transaction est dépensée, la clé publique peut malgré tout devenir visible.

Il existe donc aussi des propositions visant à mieux préparer Bitcoin à une éventuelle menace quantique.

Un exemple est Pay-to-Merkle-Root, abrégé P2MR. Cette proposition vise à limiter l’exposition prolongée de certaines clés publiques.

Il ne s’agit pour l’instant que d’une proposition et non d’une règle active de Bitcoin.

Pour une protection complète, il faudrait à terme aussi des signatures numériques résistantes aux attaques quantiques connues.

Qu’est-ce que la cryptographie post-quantique ?

La cryptographie post-quantique (post-quantum cryptography), souvent abrégée en PQC, est une cryptographie conçue pour résister aux attaques connues des ordinateurs classiques comme des ordinateurs quantiques.

La PQC fonctionne sur des ordinateurs ordinaires. Vous n’avez donc pas besoin d’un ordinateur quantique pour utiliser la cryptographie post-quantique.

C’est différent de la cryptographie quantique (quantum cryptography). Dans ce cas, on utilise directement des propriétés de la physique quantique, par exemple pour échanger des clés.

Avec la cryptographie post-quantique, on utilise au contraire de nouvelles mathématiques pour mieux protéger les ordinateurs existants contre de futures attaques quantiques.

En 2024, les premières grandes normes post-quantiques ont été publiées.

Elles comprennent notamment :

• ML-KEM pour échanger ou convenir de clés secrètes de manière sûre ;
• ML-DSA pour les signatures numériques ;
• SLH-DSA pour les signatures numériques fondées sur des fonctions de hachage.

Ces méthodes utilisent des problèmes mathématiques différents de ceux de RSA et de la cryptographie à courbe elliptique.

Le terme post-quantique ne signifie pas que cette cryptographie sera inviolable pour toujours. Les techniques cryptographiques continuent d’être étudiées et testées.

Pour les blockchains, le défi ne consiste d’ailleurs pas seulement à choisir un nouvel algorithme. La taille des transactions, les coûts de vérification, les wallets, la gestion des clés et la compatibilité avec les systèmes existants jouent aussi un rôle.

En résumé

Le quantum computing utilise des qubits pour exécuter certains calculs différemment d’un ordinateur classique. Cela peut être particulièrement utile pour des problèmes difficiles spécifiques, comme la simulation de molécules et certains calculs mathématiques. Pour les tâches informatiques courantes, un ordinateur classique reste bien plus adapté.

Pour la crypto, il est surtout important de savoir que de futurs ordinateurs quantiques pourraient affaiblir certaines formes de cryptographie. Cela peut avoir des conséquences pour la sécurité des clés privées et des signatures numériques. Les ordinateurs quantiques actuels sont encore loin d’être assez puissants pour casser pratiquement Bitcoin ou la cryptographie couramment utilisée.

Pourtant, des travaux sont déjà en cours pour se protéger contre de futures attaques quantiques. Une solution importante est la cryptographie post-quantique. Pour les blockchains, une telle transition implique que les protocoles, les wallets et les autres systèmes doivent être adaptés à temps et continuer à bien fonctionner ensemble.