Comprendre l'informatique quantique
Introduction
L'informatique quantique est un domaine en pleine croissance qui pourrait avoir d'importantes répercussions sur le gouvernement, les organisations et les infrastructures essentielles.
Expliquons brièvement le concept : les ordinateurs quantiques ne reposent pas sur des puces d'ordinateur traditionnelles. Ils effectuent plutôt des calculs en fonction du comportement de minuscules particules afin de résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs traditionnels. Ils pourraient ainsi donner lieu à des formes d'analyse complètement nouvelles, mais aussi nécessiter des protocoles de sécurité et de chiffrement beaucoup plus robustes. Des ordinateurs quantiques fonctionnels existent déjà, mais pas dans un état pratique.
Que signifie le mot « quantique » dans ce contexte?
« La mécanique quantique est la physique de l'infiniment petit. Les chercheurs de ce domaine s'efforcent de prédire et d'expliquer le comportement des atomes et des molécules, et s'intéressent à la manipulation et au contrôle des systèmes aux niveaux atomique et subatomique. »
La mécanique quantique traite du comportement des plus petites particules que nous connaissons, comme les atomes et les particules subatomiques. Cette idée peut souvent sembler contre-intuitive par rapport à notre expérience du quotidien. Par exemple, les chercheurs et les chercheuses ont découvert que le comportement des particules peut influencer d'autres particules à distance sans chaîne de cause à effet observable. Ou encore, que le fait de mesurer les particules ou d'interagir avec celles-ci change leur état. Ainsi, nous ne pouvons pas savoir où; se trouve un élément ou comment il se comporte; nous pouvons seulement calculer la probabilité qu'il soit quelque part ou qu'il se comporte d'une certaine façon.
Qu'est-ce que l'informatique quantique?
L'informatique quantique est l'un des principaux domaines qui font appel à la technologie quantique. Elle traite les données d'une manière complètement différente des ordinateurs traditionnels. L'informatique quantique combine l'informatique et la physique, et s'appuie sur les principes de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs classiques. On s'attend à ce qu'elle entraîne des changements majeurs dans les milieux de la technologie et des affaires. Selon l'information présentée dans le webinaire The Business and Technological Impacts of Quantum Computing, l'informatique quantique pourrait transformer le chiffrement des données, améliorer la prise de décision dans des situations complexes, accélérer la recherche et le développement, améliorer les modèles financiers et redéfinir les perspectives basées sur l'IA. Au fur et à mesure que cette technologie se développe, elle pourrait entraîner des changements dans la concurrence, la création de nouveaux marchés et un changement dans les investissements stratégiques.
Technologies quantiques
La mécanique quantique est une discipline scientifique qui étudie le comportement de très petites particules, comme les atomes et les particules subatomiques; elle va au-delà des ordinateurs. Dans la Stratégie quantique nationale du Canada, on décrit cinq grandes catégories de technologies quantiques :
Ordinateurs quantiques
Ces ordinateurs effectuent des calculs en s'appuyant sur le comportement de minuscules particules, ce qui leur permet de résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs traditionnels. Ils pourraient aider à concevoir de nouveaux médicaments et matériaux en simulant la façon dont les molécules interagissent entre elles. Dans l'avenir, ils pourraient également améliorer l'apprentissage automatique et aider à résoudre des problèmes complexes dans des domaines tels que la finance et la logistique, comme la recherche des meilleurs itinéraires pour le transport de marchandises ou la prédiction des tendances du marché.
Logiciels quantiques
Ce sont les programmes et les instructions qui font fonctionner les ordinateurs quantiques. Les logiciels quantiques comprennent des algorithmes quantiques (un processus ou un ensemble de règles à suivre dans les calculs ou d'autres opérations de résolution de problèmes) qui permettent aux ordinateurs quantiques d'effectuer des tâches efficacement. Pensons par exemple à la résolution d'un labyrinthe. Au lieu de tester un chemin à la fois, comme un ordinateur traditionnel, l'algorithme quantique permet à l'ordinateur d'explorer simultanément tous les chemins possibles, cernant rapidement une solution qui peut prendre beaucoup plus de temps à trouver à un ordinateur classique.
Communications quantiques
Il s'agit d'un domaine des communications qui permet l'échange d'information quantique. La construction de réseaux quantiques permettra de traiter l'information quantique de bout en bout, de connecter les dispositifs quantiques entre eux, et de les faire travailler ensemble d'une nouvelle et puissante façon. La distribution de clés quantiques constitue l'application la plus connue des communications quantiques. Elle s'appuie sur les principes de la physique quantique pour s'assurer que les données sont communiquées en toute sécurité, ce qui rend impossible l'écoute clandestine.
Capteurs quantiques
Ces capteurs peuvent mesurer des choses avec une grande précision, une grande vitesse et une grande sensibilité. Ils pourraient notamment être utiles dans les domaines de la détection des sous-marins, de l'exploration minière et de l'imagerie médicale. Par exemple, les capteurs quantiques pourraient aider les médecins à obtenir des images plus claires et plus détaillées lors d'examens comme l'imagerie par résonance magnétique (IRM), ce qui donnerait lieu à de meilleurs diagnostics.
Matériaux quantiques
Les matériaux quantiques ont des propriétés magnétiques et électriques uniques. Ces matériaux pourraient permettre la conception de systèmes électriques écoénergétiques, de meilleures batteries et de nouveaux types d'appareils électroniques. Ils pourraient notamment contribuer à rendre les téléphones intelligents plus rapides et plus durables, ou à améliorer l'efficacité des panneaux solaires et d'autres sources d'énergie renouvelable.
Comment fonctionne l'informatique quantique?
Disons que vous voulez trouver un coffre au trésor dans un lac. Une approche informatique classique consisterait à créer une grille couvrant tout le lac, puis à vérifier chaque carré de la grille individuellement. Plus le lac est grand, plus cette solution est chronophage.
Si vous utilisiez plutôt l'informatique quantique, ce serait un peu comme si vous laissiez tomber une pierre à la surface du lac. Les ondulations causées par la pierre se propageraient dans le lac, puis le coffre au trésor interférerait avec les ondulations, créant une onde à partir de laquelle vous pourriez déterminer l'emplacement du coffre. Ainsi, une seule interaction, plutôt que de nombreuses interactions séquentielles, vous donnerait l'information dont vous avez besoin. Si le lac est énorme, l'approche par ondulation (quantique) prendra un peu plus de temps, tandis que l'approche par grille (classique) en prendra beaucoup plus. Bien que des analogies comme celle-ci ne soient pas parfaites ou exactes sur le plan scientifique, elles peuvent faciliter la compréhension de concepts complexes.
Principales différences entre les ordinateurs classiques et les ordinateurs quantiques
- Façon de traiter l'information
- Les ordinateurs classiques utilisent des bits pour stocker et traiter les données. Un bit ne peut être que dans l'un des deux états suivants : 0 ou 1. Pensez à un interrupteur; il est allumé ou éteint.
- Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent exister en superposition, un état où; ils sont un mélange évolutif de 0 et 1 jusqu'à ce qu'ils soient mesurés ou que l'on interagisse avec eux.
- Par exemple, imaginez que vous tirez à pile ou face. Lorsque la pièce tourne dans les airs, il n'y a pas que pile ou face; on pourrait dire que ce sont les deux à la fois jusqu'à ce que la pièce atterrisse. Un qubit en superposition fonctionne de la même manière, permettant aux ordinateurs quantiques d'envisager plusieurs possibilités à la fois.
- Capacité de traitement
- Les ordinateurs classiques résolvent les problèmes étape par étape, un calcul à la fois.
- Les ordinateurs quantiques résolvent les problèmes en explorant de nombreuses options à la fois, ce qui les rend efficaces pour des tâches complexes comme l'étude de molécules, l'analyse d'énormes quantités de données et peut-être même le déchiffrement.
- Objectif
- Les ordinateurs classiques conviennent très bien aux tâches quotidiennes comme les calculs, le traitement de texte ou la navigation sur Internet.
- Les ordinateurs quantiques ne sont pas conçus pour un usage quotidien. Il s'agit plutôt d'outils spécialisés pour accomplir des tâches précises qui sont hors de portée des ordinateurs classiques, telles que :
- simuler le comportement de molécules pour concevoir de meilleurs médicaments ou matériaux;
- trouver des structures dans de grands ensembles de données.
Il est important de noter que les ordinateurs quantiques ne sont pas censés remplacer (et ne remplaceront pas) les ordinateurs classiques. Ils n'accompliront pas plus rapidement des tâches quotidiennes comme des additions, auxquelles un téléphone ou une calculatrice conviennent parfaitement. Ce sont des outils puissants pour résoudre des problèmes précis qui pourraient mener à des percées scientifiques et technologiques. Cela dit, l'informatique quantique, comme de nombreuses nouvelles technologies, comporte des risques malgré son grand potentiel.
Les risques liés à l'informatique quantique
Selon la Stratégie quantique nationale du Canada, bien que son incroyable rapidité pour résoudre des problèmes précis puisse mener à des avancées majeures dans de nombreux secteurs, l'informatique quantique comporte également des risques. Si elle est utilisée à mauvais escient, elle pourrait mettre à risque des données personnelles, des systèmes financiers, des réseaux de services publics, des infrastructures essentielles et même la sécurité nationale.
Bien que l'informatique quantique soit actuellement limitée, l'arrivée d'ordinateurs quantiques puissants et largement accessibles ne devrait pas tarder, et ses répercussions pourraient être énormes.
L'un des plus grands risques liés à l'informatique quantique découle d'une stratégie consistant à recueillir des données maintenant pour les déchiffrer ultérieurement. Des auteurs de cybermenace pourraient déjà être en train de recueillir de grandes quantités de données chiffrées dans l'espoir de les déchiffrer à l'aide de futurs ordinateurs quantiques. Même des renseignements que vous pensiez sécurisés ou que vous avez oubliés depuis longtemps, comme de vieux courriels, des dossiers financiers ou des messages personnels, pourraient refaire surface et être exploités lorsque l'informatique quantique sera répandue.
Si nous ne cryptons pas les données de manière conséquente à temps, d'autres risques pourraient comprendre la falsification de signatures, la perte de communications sécurisées et des changements dans la gestion de l'identité et de l'accès.
Falsification de signatures et perte de communications sécurisées
L'informatique quantique pourrait perturber la cryptographie à clé publique, qui est le fondement de nombreux systèmes de sécurité en ligne. Celle-ci sert notamment à :
- authentifier l'identité, par exemple en s'assurant que des courriels proviennent d'une source fiable ou qu'une mise à jour de site Web ou de logiciel est légitime;
- protéger les communications sécurisées, par exemple en chiffrant les messages entre votre téléphone et une application bancaire, ou en veillant à ce que les appels vidéo demeurent privés.
L'infiltration des ordinateurs quantiques dans ces systèmes pourrait entraîner des risques de sécurité importants :
- les signatures numériques pourraient être falsifiées, ce qui augmenterait le risque d'hameçonnage et d'attaques de logiciels malveillants;
- les communications chiffrées pourraient être interceptées et décodées, exposant ainsi des renseignements privés et compromettant la sécurité de nombreux services sur lesquels nous comptons, comme les achats en ligne, les courriels et les systèmes de maison intelligente.
Changements à la gestion de l'identité et de l'accès
Sans cryptographie sécurisée, des renseignements de nature délicate pourraient être exposés ou volés. Par exemple :
- des comptes bancaires pourraient être piratés, ce qui pourrait entraîner des fraudes financières ou des vols d'identité;
- les données de connexion à des services essentiels, comme des portails de soins de santé ou des plateformes de stockage en nuage, pourraient être exposées, menaçant la confidentialité et la sécurité.
La protection contre ces menaces nécessitera une cryptographie post-quantique, soit de nouvelles méthodes de chiffrement conçues pour protéger les renseignements de nature délicate des capacités avancées des ordinateurs quantiques.
Sinon, des données critiques, telles que les renseignements personnels, financiers et gouvernementaux, risquent d'être exposées ou compromises lorsque les systèmes de sécurité actuels ne parviendront pas à contrer les attaques quantiques.
Se préparer à un monde post-quantique
L'informatique quantique changera la façon dont nous nous comportons en ligne, tant dans notre vie personnelle que professionnelle.
Horizons de politiques Canada a désigné les cyberattaques ciblant les infrastructures essentielles comme l'une des 10 principales perturbations futures possibles auxquelles les décideurs et décideuses devraient se préparer. Si vous êtes une dirigeante ou un dirigeant, vous devrez peut-être composer avec la menace quantique pour la cryptographie, qui pourrait toucher les logiciels et le matériel informatique que vous utilisez au quotidien.
La tâche ne sera pas aisée; il est important de comprendre l'ampleur des changements qui seront nécessaires au sein de votre organisation pour contrer efficacement ces menaces, y compris une transition complète vers la cryptographie à résistance quantique.
Rassurez-vous, certaines mesures de protection sont déjà en place et d'autres solutions sont en cours d'élaboration pour relever les défis restants. En voici des exemples.
Découvrez les solutions en cours d'élaboration au gouvernement du Canada
- Le Centre de la sécurité des télécommunications Canada et le Centre canadien pour la cybersécurité ont pour mandat de veiller à ce que les communications de nature délicate du Canada soient protégées contre les menaces actuelles et futures, y compris la menace des technologies quantiques.
- Le Centre canadien pour la cybersécurité gère conjointement le programme de validation des modules cryptographiques avec l'Institut national des normes et de la technologie (en anglais seulement) du gouvernement des États-Unis. Ce dernier dirige un effort mondial visant à créer des défenses électroniques contre les cyberattaques quantiques dans le cadre de son projet de cryptographie post-quantique.
- La Stratégie quantique nationale du Canada vise à amplifier la force actuelle du Canada en matière de recherche quantique, à faire croître les technologies, les entreprises et les talents canadiens prêts pour la quantique, et à renforcer son rôle de chef de file mondial en matière de science quantique et sa capacité de commercialisation.
- La Stratégie intégrée de cybersécurité du gouvernement du Canada souligne la nécessité d'élaborer un plan de transition vers la cryptographie post-quantique. L'un des principaux objectifs qui y sont établis consiste à prévenir les cyberattaques et à y résister plus efficacement. La transition des systèmes du gouvernement du Canada vers une cryptographie post-quantique normalisée, qui permettra de les protéger, s'inscrit dans cet objectif. Le Centre canadien pour la cybersécurité travaille à l'élaboration de normes post-quantiques, à la mobilisation de fournisseurs et à la conception d'outils qui faciliteront la transition. La Stratégie a aussi pour objectif de favoriser un effectif diversifié, au gouvernement du Canada, qui possède les compétences, les connaissances et la culture requises en matière de cybersécurité.
On décrit la préparation à un monde post-quantique comme un marathon, et non comme un sprint. Le marathon est en cours; il est important de faire preuve de prudence et de ne pas se précipiter. Il est temps de se retrousser les manches et de se mettre en marche; la conscientisation, la mobilisation et la préparation de l'ensemble des dirigeants et dirigeantes du gouvernement du Canada, qui devront prendre des décisions importantes, sont essentielles.
Portez attention à l'évolution du paysage
Le Canada est actuellement un chef de file mondial dans le domaine des sciences et de la technologie quantiques, mais celui-ci évolue rapidement. L'un des principaux défis consistera à assurer l'interopérabilité des systèmes existants et nouveaux, car la transition vers de nouvelles technologies cryptographiques pourrait prendre des années et nécessitera la collaboration avec des alliés de confiance.
Certaines personnes craignent que l'un des plus grands risques de cybersécurité découlant de l'intelligence artificielle générative soit la mise de côté d'autres priorités, comme la menace quantique (Balado : Generative AI in Cybersecurity – Innovation or Distraction? [en anglais seulement]). Il est important de ne pas la perdre de vue, tout comme les autres menaces et possibilités émergentes.
Préparez-vous à agir
Vous n'avez pas besoin de vous spécialiser en informatique quantique. Vous devriez toutefois vous préparer à vous adapter aux menaces émergentes. Suivez les directives du Centre canadien pour la cybersécurité et travaillez avec les dirigeants et dirigeantes des technologies de l'information de votre organisation pour y répondre efficacement. En tant que fonctionnaire, il vous sera essentiel de répondre rapidement aux demandes liées aux mises à jour de sécurité, qu'elles concernent du matériel informatique, des logiciels ou encore des protocoles. La sécurité de nos systèmes devra passer par une action rapide.
En tant que dirigeant ou dirigeante, et en tant que décideur ou décideuse, vous devrez peut-être :
- soutenir la migration des systèmes de TI vers la cryptographie post-quantique;
- affecter des ressources humaines et financières à la migration ou à la transition vers un état de préparation post-quantique.
Vous pourriez également jouer un rôle essentiel en vue de former, d'attirer et de maintenir en poste les personnes de talent dont le Canada a besoin pour réussir dans le domaine de la science et de la technologie quantiques. La pénurie de talents met déjà à l'épreuve l'industrie et les établissements de recherche, et la situation s'aggravera à mesure que les technologies quantiques prendront de l'ampleur (Stratégie quantique nationale du Canada).
Pour trouver des renseignements supplémentaires
Il est normal de trouver l'informatique quantique mystérieuse. Richard Feynman, physicien-théoricien américain et lauréat du prix Nobel, a dit : « Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne comprenez pas la mécanique quantique. »
C'est un domaine qui évolue rapidement. Consultez les ressources ci-dessous pour obtenir de plus amples renseignements et faites-nous savoir si vous trouvez que le contenu du présent article est désuet.
Consultez ces ressources de l'École de la fonction publique du Canada :
