Mesure et cryptage réseau

STORYaoût 23, 2022

Prochaine étape : la prochaine génération

Comment le test & mesure et le cryptage réseau permettent de nouvelles applications de la technologie quantique

Des milliards ont été investis dans les technologies quantiques par les secteurs publics et privés. Les échéances quantiques rapportées par les médias se succèdent très rapidement. Des applications visionnaires dans la technologie de capteurs, l'informatique et les communications semblent être à portée de main. Les solutions de test & mesure haute précision de Rohde & Schwarz permettent à la science, à l'industrie et aux institutions publiques d'effectuer des tests spécifiques sur des systèmes quantiques individuels. Et les experts en cryptage de l'entreprise apportent les communications sécurisées basées sur la technologie quantique à l'extérieur des laboratoires, pour une utilisation au sein d'applications pertinentes.

Portrait de Ping Loke

"L'informatique quantique, la technologie de capteur quantique et les communications quantiques – les trois technologies ont un potentiel perturbateur."

Ping Loke, Vice Président exécutif, Corporate R&D

Les sommes d'argent à elles seules en disent long à propos du potentiel d'innovation attribué aux technologies quantiques. En plus des engagements d'investissements de capital / risque bien connus, des milliards dans les ressources publiques sont également injectés dans des investissements de recherche nationaux et internationaux.

Le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche, par exemple, a prévu un financement de 2,6 milliards d'euros pour la technologie quantique. L'initiative EU Quantum Flagship a un budget d'au moins 1 milliard d'euros, et le US National Quantum Initiative Act a 2 milliards de dollars US à sa disposition.

"La recherche vient d'exploser au cours de ces deux dernières décennies. L'accent est dorénavant mis sur la seconde génération de la technologie quantique."
Ping Loke, Vice Président exécutif, Corporate R&D

Les effets quantiques font désormais parties de nos vies quotidiennes. Les smartphones modernes, par exemple, contiennent plusieurs centaines de milliards de transistors, principalement dans les puces de mémoire flash. Leur fonction – le contrôle des courants et des tensions – repose sur des propriétés mécaniques quantiques de semi-conducteurs. La première génération tirait profit des effets quantiques naturels. En revanche, la seconde génération de la technologie quantique repose sur la création et le contrôle des statuts quantiques individuels.

Technologie quantique 2.0 : A quoi devons-nous nous attendre ?

Médecine personnalisée

Médecine personnalisée

Médecine personnalisée : Tout le monde est différent, et donc nos maladies également. Les cellules cancéreuses, par exemple, sont différentes d'une personne à une autre et évoluent souvent dans le temps. Ces différences et changements sont déjà bien documentés en termes analytiques, lesquels ont créé une énorme quantité de données. Big Data est le mot à la mode. Mais l'évaluation de ces données rapidement et efficacement, pour développer des formes personnalisées de traitement, est impossible pour des ordinateurs classiques.

Mise à niveau des chaînes d'approvisionnement

Mise à niveau des chaînes d'approvisionnement

Mise à niveau des chaînes d'approvisionnement : Les flux mondiaux de marchandises atteignent tous les coins du monde et tout est disponible en un clic : une nouvelle tablette pour une utilisation domestique ou des cadeaux pour une fête d'entreprise. Mais dans les coulisses se trouve un réseau logistique complexe de fabricants, de fournisseurs de services, de fournisseurs, de commerçants, d'entreprises de transport, de services de livraison, et bien plus encore. Le moindre retard de port conteneur ou la moindre variation de prix des articles achetés signifie qu'il faut trouver des alternatives – de préférence en temps réel. Mais la complexité de cette tâche dépasse également ce que des ordinateurs classiques peuvent gérer.

Physique quantique dans les communications sécurisées

Physique quantique dans les communications sécurisées

Physique quantique dans les communications sécurisées : Que ce soit personnel ou professionnel, des photos de vacances à la plage ou des propositions de développement de nouveaux produits, nos données et transmissions de données doivent être protégées. De nos jours, les entreprises considèrent systématiquement les cyberattaques et les conséquences résultantes comme le principal risque pour leurs activités. Des développements dans l'informatique quantique révèlent les limites des technologies de cryptage classiques. Des innovations au sein des communications quantiques sont la clé du futur, car elles permettent la détection fiable des accès non autorisés. Cela signifie que vous pouvez créer un véritable canal haute sécurité pour les données sensibles.

Rapide. Plus rapide. Informatique quantique.

Notre monde est contrôlé par le code binaire. Les ordinateurs classiques traitent les données comme des séquences de uns et de zéros, vraie ou fausse, actives ou désactives. Cela s'applique à tout, du simple traitement de texte à la réalité virtuelle dans le métavers. Mais le monde dans lequel nous vivons et travaillons devient de plus en plus complexe. La quantité de données que nous devons traiter croît très rapidement. Le volume de données annuel générées numériquement a été multiplié par dix entre 2012 et 2020, et il est prévu de tripler encore d'ici 2025. La quantité de données estimée est de plus de 180 zetta-octets – ou en termes plus familiers, 180 billions de giga-octets.

C'est pour cette raison que les ordinateurs classiques sont confrontés à deux obstacles insurmontables : le temps et la complexité. Plus le volume de données est important, plus vous avez besoin de temps pour traiter ces données successivement. Plus le problème est complexe, plus la probabilité est faible que le code binaire, avec uniquement deux états, soit capable de calculer efficacement une solution. Les ordinateurs quantiques ont le potentiel pour surmonter les deux obstacles grâce aux informations provenant de la physique moderne.

Some like it cold

Certains aiment ça froid

Le Walther Meißner Institute en charge de la recherche à faible température (WMI) est un institut de recherche au sein de l'académie Bavaroise des sciences et de l'humanité. Il mène des recherches fondamentales et appliquées dans le domaine de la physique à faibles températures et à très faibles températures. L'informatique quantique est naturellement une zone de focalisation, et les chercheurs s'appuient sur des solutions de T&M Rohde & Schwarz et de sa filiale Zurich Instruments pour contrôler leurs systèmes.

Main dans la main plutôt que l'un ou l'autre

Comme les bits conventionnels, les bits quantiques (qubits) constituent des unités de mémoire mécaniques quantiques. En plus de simples zéros et uns, ils peuvent également s'occuper du chevauchement, des états mixtes. Cette simultanéité représente un changement de modèle technologique fondamental. Nous pouvons dorénavant exécuter des méthodes de calcul successives classiques simultanément, c'est la raison pour laquelle un ordinateur quantique permet d'économiser beaucoup de temps.

Mais avant tout, la nouvelle approche mécanique quantique nous permet de traiter de nouvelles questions bien plus complexes. Cependant, ce n'est pas une décision à prendre ou à laisser, qu'il s'agisse de la puissance de traitement classique ou de l'informatique quantique. Au lieu de ça, ce qui importe c'est l'intégration des systèmes existants et quantiques en fonction de la tâche.

Un coup d’œil rapide sur les objectifs de recherche montre à quel point les équipes de recherche appliquée ont du travail à faire. Le repliement des protéines, par exemple, est un problème incroyablement important et par conséquent un secteur d'intérêt essentiel. Trouver une solution nous permettrait de prévoir la structure tridimensionnelle d'une protéine en se basant sur sa séquence primaire d'acides aminées. De grands espoirs reposent sur cette recherche, car elle pourrait nous aider à développer des médecines personnalisées efficaces, par exemple.

La physique face à la logique

Dans le monde quantique, une particule peut être à deux endroits à la fois. Ce n'est que lorsqu'elle est observée que vous pouvez la localiser, par exemple en la mesurant. En d'autres termes, elle n'a aucun emplacement défini jusqu'à ce qu'elle soit observée. Cette propriété inhabituelle est également la raison pour laquelle elle est extrêmement instable. Au lieu d'utiliser des qubits physiques individuels, ce qui peut être une source d'erreurs majeure, plusieurs qubits sont regroupés au sein d'un qubit logique. Cependant, le défi ici est que vous avez besoin de systèmes quantiques avec plus d'un million de qubits logiques afin de répondre aux questions pratiques, comme le repliement de protéine. Un qubit logique peut contenir jusqu'à 100 qubits physiques, mais la capacité de traitement la plus élevée n'est actuellement que de 127 qubits physiques.

Portrait de Sadik Hafizovic

"Notre mission est d'aider à construire l'informatique quantique."

Dr. Sadik Hafizovic, CEO et co-fondateur de Zurich Instruments, une entreprise Rohde & Schwarz

Zurich Instruments est le membre le plus jeune de la famille Rohde & Schwarz. Le marché du T&M, pour l'informatique quantique en particulier, présente un potentiel énorme pour les deux entreprises. L'utilisation et la maintenance des ordinateurs quantiques nécessitent une large gamme de solutions de T&M spécifiques, car les signaux RF doivent être générés et mesurés avec une précision extrêmement élevée, afin de créer et d'enregistrer efficacement des états quantiques. Les systèmes de contrôle pour les ordinateurs quantiques sont une partie de la gamme de l'entreprise.

"Les laboratoires de recherche et les partenaires industriels s'appuient sur nos systèmes de mesure et de contrôle pour utiliser parfaitement leurs ordinateurs quantiques. Cela fait de nous un accélérateur d'innovation, puisque les chercheurs quantiques n'ont pas de temps à perdre en développant leurs propres instruments."
Sadik Hafizovic, CEO et co-fondateur de Zurich Instruments, une entreprise Rohde & Schwarz

Sécuriser. Plus sécuriser. Communications quantiques

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de repousser les limites de traitement efficacement. Mais cela s'accompagne de défis, incluant des communications sécurisées. La boîte de Pandore a commencé à s'ouvrir au début des années 1990, avec l'apparition des premiers algorithmes qui pouvaient casser les algorithmes de cryptage classiques en utilisant des ordinateurs quantiques haute performance.

Des méthodes de cryptage alternatives ont depuis été mises en évidence. Il existe essentiellement deux approches principales. La première est la cryptographie post-quantique, qui concerne les méthodes de cryptage classiques entièrement avec une différence clé : elles peuvent survivre aux attaques des ordinateurs quantiques et rester intactes. Les algorithmes utilisés dans cette approche reposent sur des hypothèses théoriques pour lesquelles aucune attaque efficace n'est actuellement connue en utilisant des ordinateurs quantiques ou classiques.

Portrait de Falk Herrmann

"Des réseaux de communications sécurisés sont devenus des infrastructures sensibles au sein des sociétés de pointe relatives à l'information."

Dr. Falk Herrmann, CEO Rohde & Schwarz Cybersecurity

L'autre approche correspond à la distribution de clé quantique (QKD). Le bureau fédéral allemand en charge de la sécurité de l'information (BSI) et l'institut national des normes et technologies (NIST) sont deux des principaux moteurs de l'innovation dans ce domaine. Dans un monde de plus en plus numérique, les clients du secteur privé et les clients gouvernementaux en particulier, dépendent de la fiabilité des solutions de sécurité IT.

Ces solutions innovantes modifient l'orientation de la cryptologie. Les méthodes classiques, ainsi que les méthodes post-quantiques récentes, reposent sur des théories mathématiques, par exemple l'idée que certaines tâches ne peuvent pas être calculées avec une efficacité suffisante. La distribution de clé quantique, à l'inverse, repose sur des principes physiques.

Distribuer des clés symétriques en toute sécurité

L'objectif est de distribuer des clés symétriques en toute sécurité. Cela est effectué en émettant des millions de photons individuels (particules de lumière) à travers une liaison optique, telle qu'un câble à fibre optique. Chaque photon a son propre état quantique aléatoire. Toute tentative de lecture ou de copie des photons modifiera cet état. Ce changement d'état peut être détecté de manière fiable car les protocoles QKD sont conçus pour que toute tentative externe d'observation des photons interrompra la transmission, et chaque interruption est détectée.

Les premiers appareils QKD ont principalement été développés par des groupes de travail en physique, et le travail de commercialisation est en cours depuis plusieurs années. Rohde & Schwarz Cybersecurity fournit et met à profit sa grande expertise dans les solutions de sécurité, ainsi que son expérience dans la construction et la mise en œuvre des appareils et systèmes de sécurité, et cela au sein de nombreux projets de recherche.

"Nous utilisons notre expertise pour amener les communications quantiques en dehors du laboratoire et au sein d'applications du monde réel."
Falk Herrmann, CEO Rohde & Schwarz Cybersecurity

L'innovation à travers la collaboration

En plus du développement actuel de la technologie, l'interaction avec les clients ainsi que la participation dans des groupes de recherche et des associations industrielles sont également importants. Rohde & Schwarz fait donc par conséquent partie de nombreux réseaux émergeant depuis le tout début. En voici quelques-uns :

Munich Quantum Valley

Munich Quantum Valley (MQV) est une initiative pour promouvoir les sciences quantiques et les technologies quantiques en Bavière, fondée par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche. Ce projet a pour objectif de construire un démonstrateur jusqu'à 100 qubits. Zurich Instruments est responsable du nouveau schéma de lecture haute fidélité pour le qubits intégrés en 3D et des routines d'automatisation de la calibration pour les processeurs quantiques. Les partenaires incluent le Walter Meißner Institute, TU Munich, Fraunhofer EMFT, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland, et IQM Deutschland.

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

Ce projet a pour objectif de construire un démonstrateur d'ordinateur quantique supraconducteur avec plusieurs générations de processeurs différents en termes de performance, de taille, de précision, et d'environnement d'application. Zurich Instruments a été missionné avec l'intégration du système de contrôle d'ordinateur quantique au sein du système quantique et de l'optimisation des protocoles de transmission des données avec des bandes passantes de communications élevées. Les partenaires industriels avec des implications majeures incluent Parity Quantum Computing Deutschland, HQS Quantum Simulations, Rosenberger Hochfrequenztechnik, IQM Deutschland, Supracon, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Electronics, Partec, Atotech, et Atos Information Technology.

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

Ce projet s'inscrit dans le cadre du Quantum Flagship, l'une des initiatives de recherche les plus importantes et les plus ambitieuses de l'union européenne. OpenSuperQ a pour objectif de concevoir, construire et utiliser un système de traitement de données quantique jusqu'à 100 qubits. Il est prévu qu'il soit accessible en permanence aux utilisateurs externes à un endroit centralisé. Zurich Instruments est en charge de toute l'électronique de la température ambiante, ainsi que du logiciel de mesure et de contrôle du système multi-qubit. Le centre de recherche Jülich en Allemagne, l'université Suisse ETH Zurich, et l'université de technologie Chalmers en Suède sont tous des partenaires clés.

https://opensuperq.eu/

La bibliothèque cryptographique Botan pour une sécurité sur le long terme

Avec nos partenaires, l'institut Fraunhofer pour la sécurité intégrée et appliquée (AISEC), TU Berlin et Nexenio, Rohde & Schwarz Cybersecurity met à niveau la bibliothèque avec des algorithmes de cryptage capables de résister aux attaques provenant d'ordinateurs quantiques.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

L'union européenne a mis en place un consortium de quelque 40 partenaires de projet à partir des 13 états membres dédiés à la QKD. L'objectif est de créer une infrastructure dédiée au test et aux réseaux de communications afin de rendre pratique la distribution de clé quantique. L'infrastructure européenne dédié aux communications quantiques (EuroQCI) est paramétrée pour être développée plus tard dans des projets futurs.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

L'objectif de ce projet, issu du ministère fédéral allemande de l'éducation et de la recherche, est de chercher, développer et démontrer un système de gestion de réseau QKD sécurisé au sein d'une infrastructure de télécommunications. Au cours du projet, les villes de Berlin et de Bonn seront liées par une voie de test des communications quantiques, qui servira de démonstrateur. La vision est d'établir le réseau quantique le plus long en Allemagne.

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

Le projet Quarate est fondé par le ministère fédéral de l'éducation et de la recherche. Il a pour objectif d'utiliser un avantage quantique pour repousser les limites de la technologie radar classique en utilisant les micro-ondes quantiques et des méthodes de corrélation avancées afin d'améliorer l'acquisition des données. Les partenaires du projet sont le centre aérospatial allemand (DLR), TU Munich (TUM), et l'institut Walther Meißner (WMI).

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html