La cryptographie quantique nécessite le développement, comme on le montrera, de nouveaux outils, tels que les sources, ou bien les détecteurs de photons uniques. Dans le cas des sources, il est indispensable de pouvoir travailler avec un système quantique unique, tel qu'une boîte quantique en semico
Le travail entrepris dans cette thèse s'inscrit dans le contexte du développement des réseaux de cryptographie quantique à partir de diverses ressources photoniques. Depuis les premiers liens de communication quantique établis en laboratoire, d'importants progrès ont été réalisés en ce qui concerne la qualité des sources d'états quantiques, ainsi que leur analyse et leur détection. De plus, la maturité des technologies des télécommunications donne naissance à des composants compacts et performants. La combinaison de ces avancées significatives a ouvert la voie vers les premiers réseaux de communication quantique opérationnels, déployés et en champ réel, avec des progrès notables d'année en année.De manière complémentaire, les sources de photons uniques sont une ressource majeure dans l'établissement de réseaux de communication quantique, et les plus performantes émettent dans le proche infrarouge. Dans la première partie de ce manuscrit, nous proposons une interface de conversion de fréquence efficace et adaptée à une source de photons uniques, permettant de convertir ces photons en fréquence vers la bande des télécommunications. Ensuite, nous réalisons une expérience d'interférences à deux photons (de type Hong-Ou-Mandel) entre des sources indépendantes, constituant une étape importante vers le développement de relais quantiques. Enfin, nous examinons la mise en place d'un relais quantique basé sur la téléportation quantique en combinant une source de photons uniques avec une source de paires de photons intriqués.
Cryptographie classique et post-quantiqueCes nouvelles solutions doivent s'appuyer sur des problèmes mathématiques qui ne sont pas vulnérables à l'avantage qu'ont les ordinateurs quantiques sur les primitives cryptographiques se basant sur des problèmes mathématiques dits "standards".Ces outils mathématiques "standards" se composent notamment du cryptosystème RSA [RSA78] (du nom de ses auteurs Rivest, Shamir et Adleman) qui repose sur le problème de la factorisation, ou du cryptosystème El-Gamal reposant sur le problème du logarithme discret.Dans le cas des cryptosystèmes de type RSA, la clé secrète est composée entre autre de deux nombres premiers p et q dont leur produit N = p×q fait partie de la clé publique.Un attaquant qui arriverait donc à factoriser le nombre N pour retrouver les deux nombres premiers p et q, pourrait attaquer la sécurité des schémas de type RSA.Concernant les cryptosystèmes basés sur le logarithme discret, on considère un groupe G bien choisi, le plus souvent d'ordre premier p.On va ensuite choisir aléatoirement un entier a comme partie de la clé secrète et son pendant publique qui lui est associé est g a avec g un élément choisi aléatoirement dans le groupe G. On définit alors le problème du logarithme discret, demandant de retrouver l'entier a à partie de l'élément g a appartenant au groupe G.Ces deux types de problèmes ont été à l'origine de nombreux schémas cryptographiques sûrs et proposant une efficacité très attractive mais, comme énoncé précédemment, ils seront vulnérables dans une ère post-quantique.En effet, conserver leur sécurité impli- ContributionsDans la suite de cette introduction, je vais détailler les contributions que j'ai pu apportées durant mes 3 années de thèses, qui concernent principalement la conception de schémas cryptographiques respectueux de la vie privée, ainsi que l'adaptation en cas Signatures de groupesMa première contribution concerne la construction d'une signature de groupe sur les réseaux euclidiens, à laquelle nous ajoutons quelques propriétés attractives.Par définition, une signature de groupe est un schéma permettant à un groupe d'utilisateurs de signer au nom de ce même groupe, tout en restant anonyme parmi ses membres.Elles fournissent une caractéristique supplémentaire qui est de permettre "l'ouverture" d'une signature pour en retrouver le membre du groupe qui en est à l'origine.Ces schémas ont de nombreuses applications dans la vie courante.Prenons par exemple un cas où une personne doit prouver qu'elle a un certain âge (par exemple moins de 25 ans pour pouvoir prétendre à une réduction), il suffirait qu'elle produise sa carte d'identité qui contient sa date de naissance et donc son âge.Cependant en produisant ainsi sa carte d'identité, elle fournit par la même occasion son nom, son adresse..., alors que seul le fait qu'elle appartient au groupe des moins de 25 ans est nécessaire.Les signatures de groupes permettent donc d'éviter de tels désagréments.Il existe à ce jour de nombreux schémas de signature de groupe, mais les plus efficaces d'entre eux s'appuient sur des hypothèses qui ne résisteraient pas à un ordinateur quantique, tels que le logarithme discret défini précédemment.C'est pourquoi depuis une dizaine d'années, un grand nombre de constructions basées sur les réseaux euclidiens ont été conçues ([Gol+10; Lag+13; Lan+14; Lib+16b; Lin+17]...).Ces constructions doivent cependant se plier à l'inefficacité, sur les réseaux, des preuves de connaissance à divulgation nulle de connaissance nécessaires pour de telles constructions dans le modèle habituel de Bellare et al [BMW03].Cependant en 2019, un nouveau schéma publié à Eurocrypt par Kastumata et Yamada [KY19] s'écarte de ce modèle habituel.Leur construction s'appuie sur des primitives plus récentes telles que les signatures basées sur les attributs pour court-circuiter les problèmes d'inefficacité, en plus de reposer sur un modèle de sécurité plus commun.À partir de cette nouvelle construction nous proposons un schéma de signature de groupe basé sur les réseaux qui bénéficie des mêmes avantages que le schéma de [KY19] et nous ajoutons en plus une nouvelle propriété appelée forward security.Celle-ci permet de diviser le temps en plusieurs périodes, de sorte que les clés secrètes de tous les membres du groupe sont mises à jour à chaque nouvelle période de temps sans possibilité de récupérer Signature aveugleLes signatures aveugles ont été introduites en 1982 par Chaum [Cha82] pour le cas d'usage précis de la monnaie électronique.L'idée d'une signature aveugle est la suivante: un utilisateur veut générer une signature sur un message de son choix, cependant il ne possède pas la clé secrète lui permettant de générer une telle signature.Pour palier ce problème, il a la possibilité d'interagir avec une autorité qui possède cette clé secrète et qui est alors vu comme un signeur.Cependant l'utilisateur requiert que la signature qu'il va sortir à la fin de l'interaction avec le signeur ne puisse pas être tracée par ce dernier.Pour en revenir au cas d'usage de la monnaie électronique, ce type de schéma permet donc à un utilisateur de faire certifier de la monnaie électronique à une autorité (une banque par exemple), sans que celle-ci puisse retrouver l'identité de l'utilisateur lorsque celui-ci la dépense.Concernant les constructions existantes, elles sont nombreuses et très efficaces sur la cryptographie "classique".Nous pouvons notamment citer le schéma Blind RSA [Fer93] qui se base sur le cryptosystème RSA, tandis que l'histoire des signatures aveugles sur les réseaux euclidiens est bien plus complexes.Tout d'abord il n'existe qu'un seul modèle de construction basé sur un schéma d'identification de Lyubashevsky [Lyu08].Ce modèle requiert 3 échanges entre l'utilisateur et le signeur, comme d'autres schémas tel que Okamoto-Schnorr [Oka92], à contrario d'autres constructions comme blind RSA qui n'en demandent que 2.De plus toutes les constructions sur les réseaux euclidiens ont vu leur preuve de sécurité invalidées par un papier de Hauck et al [Hau+20] publié à Crypto 2020.En effet pour prouver qu'un utilisateur malhonnête ne peut pas générer plus de signatures qu'autorisées, une propriété appelée one-more unforgeability est nécessaire.Une modèle de preuve a été proposé par Pointcheval et Stern [PS00] pour des constructions basées sur des groupes finis, dans lesquels un élément secret était choisi aléatoirement dans tout le groupe.La différence sur les réseaux euclidiens vient du fait qu'une clé secrète est habituellement un petit élément de l'ensemble considéré, ce qui interdit toute adaptation directe sur les réseaux euclidiens de la preuve de Pointcheval et Stern.Dans notre construction, nous revenons sur cette preuve et sur la solution apportée par Hauck et al. [Hau+20] qui souffre d'un manque d'efficacité.Concernant notre construction, notre sécurité repose sur une conjecture qui n'a pas été prouvée.Tout d'abord, notre solution gagne en efficacité en utilisant l'avantage de distributions gaussiennes sur des distributions uniformes.De plus, nous utilisons des outils tels que les trappes sur les réseaux euclidiens pour effacer toute trace d'abandon durant le protocole de signature aveugle, notre construction étant la seule n'ayant pas recours aux abandons, qui est un impact négatif sur l'efficacité.Finalement, nous proposons une variante appelée signature partiellement aveugle, qui permet à l'utilisateur et au signeur d'inclure une information publique, sur laquelle ils se sont mis d'accord en amont de la génération de la signature.Notre construction n'entraîne quasiment aucun coût supplémentaire par rapport à la signature aveugle.Ce travail est décrit dans le chapitre 5 de cette thèse.
La cryptographie quantique a été largement définie comme une forme novatrice de cryptographie ne reposant sur aucune hypothèse de difficulté computationnelle. Cependant, avec l'évolution du domaine, et en particulier alors que la distribution quantique de clé (QKD) atteint des niveaux élevés de préparation technologique, il semble qu'il faille trouver un équilibre critique. D'une part, il y a la quête du niveau de sécurité théorique le plus élevé. D'autre part, une seconde direction consiste à optimiser la sécurité et la performance pour une utilisation réelle, tout en offrant un avantage par rapport à la cryptographie classique. Dans cette thèse, nous avons exploré de nouvelles voies vers cette seconde direction, à savoir la cryptographie quantique en conditions réelles.Dans le premier projet, nous défendons un message simple mais puissant : les attaques les plus dangereuses contre la QKD, pour lesquelles le développement de contre-mesures est crucial, sont les plus faciles à mettre en œuvre. Par conséquent, nous effectuons une évaluation de la vulnérabilité d'un dispositif de QKD à variables continues, proposant une nouvelle méthodologie pour la certification de sécurité basée sur le classement des attaques.Dans le deuxième projet, nous introduisons une construction explicite pour un protocole de distribution de clés dans le modèle de sécurité Quantum Computational Timelock (QCT), où l'on suppose que le chiffrement sécurisé computationnellement ne peut être rompu qu'après un temps bien plus long que le temps de cohérence des mémoires quantiques disponibles. En tirant parti des hypothèses QCT, nous construisons un protocole de distribution de clés basé sur le problème de Hidden Matching, pour lequel il existe un écart exponentiel en complexité de communication unidirectionnelle entre les stratégies classiques et quantiques. En particulier, en exploitant cet écart exponentiel, nous débloquons la possibilité d'envoyer plusieurs copies du même état pour réaliser un établissement de clé sécurisé à long terme avec des performances qui vont au-delà de la QKD standard.En nous appuyant sur notre travail théorique sur l'établissement de clés, dont la sécurité et l'efficacité reposent sur la capacité des deux parties à résoudre un problème de complexité de communication quantique plus efficacement que ce qui est possible classiquement, dans le dernier projet expérimental, nous étudions la faisabilité de démontrer un avantage quantique en complexité de communication. En particulier, nous exploitons le mélange de modes complexe inhérent aux fibres multimodes en employant des techniques de wavefront shaping pour aborder les problèmes de complexité de communication quantique.
L'échange sécurisé d'une clé secrète entre deux interlocuteurs est une tâche compliquée. Dans un monde " classique ", il n'est pas possible de garantir qu'un espion n'a pas effectué une copie de cette clé lors de son échange. En 1984, un protocole basé sur les propriétés de la mécanique quantique a démontré la possibilité d'un échange inconditionnellement sûr d'une clé secrète entre deux interlocuteurs. Idéalement, le protocole utilise une source de photons uniques. L'information est alors codée, par exemple sur la polarisation des photons. La sécurité est garantie par un choix aléatoire de la base de polarisation (Linéaire, Circulaire). Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'une source de photons uniques et son application à la cryptographie quantique. Une source de photons uniques est obtenue par l'excitation impulsionnelle d'un dipôle unique. Le dipôle étudié dans ce travail est le centre NV dans le cristal de diamant. Il est constitué d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V) en substitution dans la maille cristalline du diamant. L'étude sous excitation continue de ce dipôle, à l'aide d'un microscope confocal et d'un montage d'autocorrélation d'intensité, montre que de par sa simplicité d'utilisation et de sa photostabilité intrinsèque, il est un candidat de choix pour une source de photons uniques. En excitation impulsionnelle, on démontre que la source de photons uniques ainsi produite présente une grande efficacité de production de photons, et un très faible taux d'impulsions contenant deux photons. Finalement, cette source été utilisée dans un montage de cryptographie quantique. Après une description des dispositifs expérimentaux de l'émetteur et du récepteur, nous décrivons en détail l'échange de clé quantique. Les résultats obtenus montrent un avantage quantitatif dans le taux de pertes admissibles en ligne en comparaison avec des prototypes basés sur une source cohérente atténuée.
La cryptographie fondée sur les réseaux euclidiens représente une alternative prometteuse à la cryptographie asymétrique utilisée actuellement, en raison de sa résistance présumée à un ordinateur quantique universel. Cette nouvelle famille de schémas asymétriques dispose de plusieurs atouts parmi lesquels de fortes garanties théoriques de sécurité, un large choix de primitives et, pour certains de ses représentants, des performances comparables aux standards actuels. Une campagne de standardisation post-quantique organisée par le NIST est en cours et plusieurs schémas utilisant des réseaux euclidiens font partie des favoris. La communauté scientifique a été encouragée à les analyser car ils pourraient à l'avenir être implantés dans tous nos systèmes. L'objectif de cette thèse est de contribuer à cet effort. Nous étudions la sécurité de ces nouveaux cryptosystèmes non seulement au sens de leur résistance à la cryptanalyse en ''boîte noire'' à l'aide de moyens de calcul classiques, mais aussi selon un spectre plus large de modèles de sécurité, comme les attaques quantiques, les attaques supposant des failles d'utilisation, ou encore les attaques par canaux auxiliaires. Ces différents types d’attaques ont déjà été largement formalisés et étudiés par le passé pour des schémas asymétriques et symétriques pré-quantiques. Dans ce mémoire, nous analysons leur application aux nouvelles structures induites par les réseaux euclidiens. Notre travail est divisé en deux parties complémentaires : les contremesures et les attaques. La première partie regroupe nos contributions à l'effort actuel de conception de nouvelles protections algorithmiques afin de répondre aux nombreuses publications récentes d’attaques par canaux auxiliaires. Les travaux réalisés en équipe auxquels nous avons pris part on abouti à l'introduction de nouveaux outils mathématiques pour construire des contre-mesures algorithmiques, appuyées sur des preuves formelles, qui permettent de prévenir systématiquement les attaques physiques et par analyse de temps d'exécution. Nous avons ainsi participé à la protection de plusieurs schémas de signature fondés sur les réseaux euclidiens comme GLP, BLISS, qTesla ou encore Falcon. Dans une seconde partie consacrée à la cryptanalyse, nous étudions dans un premier temps de nouvelles attaques qui tirent parti du fait que certains schémas de chiffrement à clé publique ou d'établissement de clé peuvent échouer avec une faible probabilité. Ces échecs sont effectivement faiblement corrélés au secret. Notre travail a permis d’exhiber des attaques dites « par échec de déchiffrement » dans des modèles de failles d'utilisation ou des modèles quantiques. Nous avons d'autre part introduit un outil algorithmique de cryptanalyse permettant d’estimer la sécurité du problème mathématique sous-jacent lorsqu’une information partielle sur le secret est donnée. Cet outil s’est avéré utile pour automatiser et améliorer plusieurs attaques connues comme des attaques par échec de déchiffrement, des attaques classiques ou encore des attaques par canaux auxiliaires.
Sécurité étendue de la cryptographie fondée sur les réseaux Euclidiens La cryptographie fondée sur les réseaux euclidiens représente une alternative prometteuse à la cryptographie asymétrique utilisée actuellement, en raison de sa résistance présumée à un ordinateur quantique universel. Cette nouvelle famille de schémas asymétriques dispose de plusieurs atouts parmi lesquels de fortes garanties théoriques de sécurité, un large choix de primitives et, pour certains de ses représentants, des performances comparables aux standards actuels. Une campagne de standardisation post-quantique organisée par le NIST est en cours et plusieurs schémas utilisant des réseaux euclidiens font partie des favoris. La communauté scientifique a été encouragée à les analyser car ils pourraient à l'avenir être implantés dans tous nos systèmes. L'objectif de cette thèse est de contribuer à cet effort. Nous étudions la sécurité de ces nouveaux cryptosystèmes non seulement au sens de leur résistance à la cryptanalyse en ''boîte noire'' à l'aide de moyens de calcul classiques, mais aussi selon un spectre plus large de modèles de sécurité, comme les attaques quantiques, les attaques supposant des failles d'utilisation, ou encore les attaques par canaux auxiliaires. Ces différents types d’attaques ont déjà été largement formalisés et étudiés par le passé pour des schémas asymétriques et symétriques pré-quantiques. Dans ce mémoire, nous analysons leur application aux nouvelles structures induites par les réseaux euclidiens. Notre travail est divisé en deux parties complémentaires : les contremesures et les attaques. La première partie regroupe nos contributions à l'effort actuel de conception de nouvelles protections algorithmiques afin de répondre aux nombreuses publications récentes d’attaques par canaux auxiliaires. Les travaux réalisés en équipe auxquels nous avons pris part on abouti à l'introduction de nouveaux outils mathématiques pour construire des contre-mesures algorithmiques, appuyées sur des preuves formelles, qui permettent de prévenir systématiquement les attaques physiques et par analyse de temps d'exécution. Nous avons ainsi participé à la protection de plusieurs schémas de signature fondés sur les réseaux euclidiens comme GLP, BLISS, qTesla ou encore Falcon. Dans une seconde partie consacrée à la cryptanalyse, nous étudions dans un premier temps de nouvelles attaques qui tirent parti du fait que certains schémas de chiffrement à clé publique ou d'établissement de clé peuvent échouer avec une faible probabilité. Ces échecs sont effectivement faiblement corrélés au secret. Notre travail a permis d’exhiber des attaques dites « par échec de déchiffrement » dans des modèles de failles d'utilisation ou des modèles quantiques. Nous avons d'autre part introduit un outil algorithmique de cryptanalyse permettant d’estimer la sécurité du problème mathématique sous-jacent lorsqu’une information partielle sur le secret est donnée. Cet outil s’est avéré utile pour automatiser et améliorer plusieurs attaques connues comme des attaques par échec de déchiffrement, des attaques classiques ou encore des attaques par canaux auxiliaires.