Gilles Brassard, l’homme qui intrique informatique et physique

Parmi les plus grandes contributions de l'informaticien Gilles Brassard, on compte la cryptographie quantique et la téléportation quantique.
Photo: Valérian Mazataud Le devoir Parmi les plus grandes contributions de l'informaticien Gilles Brassard, on compte la cryptographie quantique et la téléportation quantique.

Les prix Nobel seront décernés cette semaine. Le Devoir en a profité pour s’entretenir avec Gilles Brassard, un informaticien de l’Université de Montréal qui contribua à poser les bases de la communication et de l’informatique quantiques.

Gilles Brassard a beau être informaticien, c’est la théorie qui l’intéresse. Rencontré dans son « laboratoire » — une pièce sans fenêtre avec quelques divans poussiéreux et trois machines à café différentes —, le savant navigue fébrilement entre un vieux livre scientifique, une feuille où il griffonne quelques formules et son ordinateur… mais seulement pour répondre à des courriels.

« Pour déployer un système de cryptographie quantique global, il faudrait une infrastructure qu’on n’a pas aujourd’hui, explique le professeur à l’Université de Montréal. Mais, pour moi, ce n’est pas un obstacle. Il suffit de la construire. »

En mai dernier, Gilles Brassard est devenu le premier Canadien à remporter le prix Wolf de physique pour avoir inventé, avec son complice Charles Bennett, la théorie de l’information quantique. Plus de la moitié des lauréats des prix Wolf décernés entre 1978 et 2010 ont remporté le Nobel par la suite. « S’il y a un prix Nobel en quantique théorique, j’ai des chances », convient-il.

Parmi ses plus grandes contributions, on compte la cryptographie quantique, soit l’art d’encoder des messages d’une manière absolument inviolable, et la téléportation quantique, qui permet de copier un atome d’un bout à l’autre de la galaxie sans physiquement le déplacer. Ces protocoles tirent avantage de la mécanique quantique, qui décrit le comportement des atomes et des photons.

Un autodidacte quantique

Enfant, Gilles Brassard s’était d’abord passionné pour les mathématiques. Son frère Robert, de six ans son aîné, lui répétait tout ce qu’il apprenait à l’école. En 1968, à seulement 13 ans, Gilles entre à l’Université de Montréal pour suivre un cursus scientifique général. Afin de pouvoir s’amuser avec l’unique ordinateur de l’établissement, il décide de s’inscrire au cours d’informatique. La piqûre est immédiate.

« La session suivante, je n’avais plus le droit d’utiliser l’ordinateur, qui était réservé aux étudiants inscrits au cours. Avec deux amis, nous avons donc demandé le code d’accès à un de nos copains, pour pouvoir jouer avec la machine. À nous seuls, on a utilisé plus de temps-machine que l’ensemble de la classe ! Évidemment, on s’est fait prendre, et la direction nous a violemment punis en nous forçant à programmer tout l’été ! » dit-il en riant. Le jeune Gilles était ravi.

Sa voie se traçait devant lui. Après un baccalauréat et une maîtrise à l’Université de Montréal, il se dirige vers l’Université Cornell, aux États-Unis, où il obtient en 1979 un doctorat en informatique théorique.

La même année, il se rend à Porto Rico pour participer à une conférence. Au second jour de la réunion, il prend un moment pour aller se baigner dans la mer. « Quand j’étais seul, en train de nager, Charles Bennett, que je ne connaissais pas alors, est venu à moi et m’a raconté qu’il connaissait une façon d’utiliser la mécanique quantique pour faire des billets de banque impossibles à contrefaire. Si j’avais été sur la terre ferme, je serais peut-être parti en courant ! plaisante le chercheur. Toutefois, dans l’eau, je n’avais pas le choix de l’écouter. »

À l’époque, Gilles Brassard ne connaît strictement rien à la mécanique quantique. Charles Bennett, chercheur chez IBM, voulait s’allier à lui pour améliorer une idée dont il avait entendu parler plusieurs années auparavant de son ami Stephen Wiesner, alors doctorant à l’Université Columbia. « Quelques dizaines de minutes plus tard, quand Bennett et moi sommes retournés sur la plage, notre premier article scientifique était essentiellement écrit », raconte M. Brassard. Et une collaboration scientifique qui persiste encore aujourd’hui était née.

Dans les années suivantes, le duo se rencontre régulièrement et peaufine sa théorie. « À l’époque, c’était seulement un jeu », explique le sexagénaire. L’idée originale des billets de banque se transforme en quelque chose de beaucoup plus utile : une manière de transmettre des messages secrets. En 1984, Bennett et Brassard publient finalement leur protocole, aujourd’hui connu sous le nom de « BB84 » et cité plus de 7500 fois dans la littérature.

Déploiement chinois

Selon Gilles Brassard, c’est toutefois la théorie de la téléportation quantique qui est sa plus grande contribution à la science. « Cette découverte a complètement bouleversé l’édifice de l’informatique quantique », croit-il, ajoutant que tout ce qui se fait aujourd’hui dans le domaine en découle.

En 1992, en marge d’une présentation à l’Université de Montréal, un groupe de six scientifiques se réunit dans son bureau pour un « brainstorm de deux heures », raconte Gilles Brassard. Les chercheurs retournent ensuite de leur côté et continuent à gribouiller. Quelques heures plus tard, la téléportation quantique est née. « C’était un moment magique », se souvient Gilles Brassard.

Depuis, plusieurs laboratoires ont réussi à téléporter des photons. Le record de distance est actuellement de 1400 km.

Dès le milieu des années 1990, c’est la consécration pour Gilles Brassard. Il est fait membre de la Société royale du Canada (1996), fellow de la Royal Society of London (2013), officier de l’ordre du Canada (2013) et officier de l’ordre national du Québec (2017), en plus d’obtenir trois doctorats honorifiques.

En attendant l’ultime trophée, Gilles Brassard se plaît à assister à l’essor de la communication quantique en Chine, qui dépense 200 millions de dollars par an pour implanter un réseau. Une « épine dorsale » de fibre optique relie maintenant Beijing à Shanghai. Le gouvernement utilise déjà la ligne, et des banques ont récemment commencé à tester le réseau pour leurs activités, indique M. Brassard. En 2016, l’empire du Milieu a même lancé un satellite équipé pour la communication quantique. Ses messages sont chiffrés avec BB84.

Cryptographie quantique

Pour transmettre un message, le protocole exige l’échange d’une « clé de chiffrement ». Cette longue séquence de 0 et de 1 est encodée avec des photons, des particules qui obéissent à la mécanique quantique. Si un espion intercepte l’un des photons de la clé, son intrusion devient aussitôt évidente aux deux correspondants. Ils font alors avorter la communication. Par contre, si la clé est échangée avec succès, les correspondants transmettent le message chiffré, que le destinataire peut déchiffrer avec la clé. Les lois de la physique certifient qu’aucun espion ne peut briser ce protocole sans être détecté, même avec des ressources illimitées.

Téléportation quantique

Ce protocole ne permet pas de téléporter un corps, mais plutôt de l’information. La procédure tire avantage de l’intrication, un phénomène purement quantique qu’Einstein appelait une « action fantomatique à distance ».