Avec les progrès de l’informatique quantique, on s’attend à ce qu’elle puisse contourner les systèmes de sécurité éprouvés qui protègent actuellement la plupart des données sensibles contre les attaques. Scientifiques et décideurs politiques travaillent à la conception et à la mise en œuvre d’une cryptographie post-quantique pour se prémunir contre ces futures attaques.
Des chercheurs du MIT ont mis au point une puce ultra-efficace capable d’intégrer des techniques de cryptographie post-quantique aux dispositifs biomédicaux sans fil, tels que les stimulateurs cardiaques et les pompes à insuline. Ces dispositifs portables, ingérables ou implantables sont généralement trop limités en énergie pour mettre en œuvre ces protocoles de sécurité exigeants en ressources de calcul.
Leur puce minuscule, de la taille d’une pointe d’aiguille très fine, intègre des protections contre les tentatives de piratage physique susceptibles de contourner le chiffrement et de permettre le vol de données utilisateur, comme le numéro de sécurité sociale d’un patient ou les identifiants de son appareil. Comparée aux modèles précédents, cette nouvelle technologie est plus de dix fois plus économe en énergie.
À terme, cette nouvelle puce pourrait permettre aux dispositifs médicaux sans fil de nouvelle génération de maintenir un niveau de sécurité élevé malgré la généralisation de l’informatique quantique. De plus, elle pourrait être utilisée dans de nombreux types de dispositifs périphériques aux ressources limitées, tels que les capteurs industriels et les étiquettes d’inventaire intelligentes.
« Les dispositifs périphériques miniatures sont omniprésents, et les dispositifs biomédicaux sont souvent les cibles les plus vulnérables aux attaques, car les contraintes énergétiques les empêchent de bénéficier des niveaux de sécurité les plus avancés. Nous avons démontré une solution matérielle très pratique pour garantir la confidentialité des données des patients », explique Seoyoon Jang, doctorant en génie électrique et informatique (EECS) au MIT et auteur principal d’un article sur la puce.
Jang a collaboré à cet article avec Saurav Maji (doctorat 2023), Rashmi Agrawal (chercheuse invitée), Hyemin Stella Lee et Eunseok Lee (étudiants de master en génie électrique et informatique), Giovanni Traverso (professeur associé de génie mécanique au MIT, gastro-entérologue au Brigham and Women’s Hospital et membre associé du Broad Institute du MIT et de Harvard), et Anantha Chandrakasan (auteur principal), provost du MIT et professeur titulaire de la chaire Vannevar Bush de génie électrique et d’informatique. Ces travaux de recherche ont été présentés récemment à la conférence IEEE sur les circuits intégrés personnalisés.
Sécurité renforcée
Un grand nombre de dispositifs biomédicaux sans fil, comme les biocapteurs ingérables pour la surveillance de la santé, ne bénéficient actuellement pas d’une protection suffisante en raison des exigences de calcul des protocoles de sécurité existants, explique Jang.
Mais la complexité de la cryptographie post-quantique (PQC) peut augmenter la consommation d’énergie de deux ou trois ordres de grandeur.
La mise en œuvre du chiffrement quantique probabiliste (PQC) est d’une importance capitale, car des organismes de réglementation comme le National Institute of Standards and Technology (NIST) vont bientôt progressivement abandonner les protocoles de cryptographie traditionnels au profit d’algorithmes PQC plus robustes. De plus, certains acteurs majeurs du secteur estiment que les progrès rapides réalisés dans le domaine du matériel quantique rendent la mise en œuvre du PQC encore plus urgente .
Pour intégrer ces protocoles PQC énergivores aux dispositifs biomédicaux sans fil, les chercheurs du MIT ont conçu une micropuce personnalisée, appelée circuit intégré spécifique à une application (ASIC), qui réduit considérablement la consommation d’énergie tout en garantissant le plus haut niveau de sécurité.
« La technologie PQC est très sécurisée sur le plan algorithmique, mais rendre un appareil résistant aux attaques physiques nécessite généralement des contre-mesures supplémentaires qui augmentent la consommation d’énergie d’au moins deux ou trois fois. Nous voulons que notre puce soit robuste face aux deux types de menaces de sécurité, tout en étant très légère », explique Jang.
Une approche à plusieurs volets
Pour atteindre ces objectifs, les chercheurs ont intégré plusieurs caractéristiques de conception à la puce.
Dans un premier temps, ils ont mis en œuvre deux schémas PQC différents afin d’améliorer la robustesse et de pérenniser leur dispositif au cas où l’un des schémas s’avérerait ultérieurement vulnérable. Pour optimiser l’efficacité énergétique, ils ont appliqué des techniques permettant aux algorithmes PQC de partager au maximum les ressources de calcul de la puce.
Deuxièmement, les chercheurs ont conçu un générateur de nombres aléatoires intégré à la puce, extrêmement performant. Ce dispositif génère en continu des nombres aléatoires servant de clés secrètes, indispensables à la mise en œuvre du PQC.
Leur conception sur puce améliore l’efficacité énergétique et la sécurité par rapport aux approches standard qui reçoivent généralement des nombres aléatoires d’une puce externe.
Troisièmement, ils ont mis en œuvre des contre-mesures qui empêchent un type de tentative de piratage physique, appelée attaque par canal auxiliaire de puissance, mais uniquement sur les parties les plus vulnérables des protocoles PQC.
Lors d’attaques par canal auxiliaire de consommation d’énergie, les pirates informatiques dérobent des informations confidentielles en analysant la consommation électrique d’un appareil pendant le traitement des données. Les chercheurs du MIT ont intégré une redondance suffisante aux opérations PQC pour garantir la protection de la puce contre ce type d’attaques.
Quatrièmement, ils ont conçu un mécanisme de détection précoce des pannes afin que la puce interrompe ses opérations prématurément si elle détecte une anomalie de tension.
Les dispositifs biomédicaux sans fil sont souvent sujets à des pannes d’alimentation instables, ce qui les rend vulnérables à des dysfonctionnements pouvant compromettre l’ensemble d’une procédure de sécurité. L’approche du MIT permet de réaliser des économies d’énergie en empêchant la puce d’exécuter une procédure vouée à l’échec jusqu’à son terme.
« Au final, grâce aux techniques que nous avons utilisées, nous pouvons appliquer ces primitives de cryptographie post-quantique sans ajouter de surcharge, avec l’avantage supplémentaire d’une robustesse accrue face aux attaques par canaux auxiliaires », explique Jang.
Leur dispositif a atteint une efficacité énergétique de 20 à 60 fois supérieure à celle de toutes les autres techniques de sécurité PQC auxquelles ils l’ont comparé, avec une surface plus compacte que de nombreuses puces existantes.
« Alors que nous évoluons vers des approches post-quantiques, il est essentiel d’assurer une sécurité renforcée, même pour les dispositifs aux ressources les plus limitées. Ces travaux démontrent qu’une protection cryptographique robuste pour les dispositifs biomédicaux et périphériques peut être obtenue tout en garantissant efficacité énergétique et programmabilité », explique Chandrakasan.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent appliquer ces techniques à d’autres applications vulnérables et à des appareils à consommation d’énergie limitée.
Ces travaux de recherche ont été financés, en partie, par l’Agence américaine pour les projets de recherche avancée en santé (ARPA).
https://news.mit.edu/2026/new-chip-can-protect-wireless-biomedical-devices-from-quantum-attacks-0423
