Résumé La cryptographie classique est basée sur des concepts mathématiques dont la sécurité dépend de la complexité du calcul de l'inverse des fonctions. Ce type de chiffrement est à la merci de la puissance de calcul des ordinateurs ainsi que la découverte d'algorithme permettant le calcul des inverses de certaines fonctions mathématiques en un temps «raisonnable ». L'utilisation d'un procédé dont la sécurité est scientifiquement prouvée s'avère donc indispensable surtout les échanges critiques (systèmes bancaires, gouvernements,...). La cryptographie quantique répond à ce besoin. En effet, sa sécurité est basée sur des lois de la physique quantique lui assurant un fonctionnement inconditionnellement sécurisé. Toutefois, l'application et l'intégration de la cryptographie quantique sont un souci pour les développeurs de ce type de solution. Cette thèse justifie la nécessité de l'utilisation de la cryptographie quantique. Elle montre que le coût engendré par le déploiement de cette solution est justifié. Elle propose un mécanisme simple et réalisable d'intégration de la cryptographie quantique dans des protocoles de communication largement utilisés comme les protocoles PPP, IPSec et le protocole 802.1li. Des scénarios d'application illustrent la faisabilité de ces solutions. Une méthodologie d'évaluation, selon les critères communs, des solutions basées sur la cryptographie quantique est également proposée dans ce document. Abstract Classical cryptography is based on mathematical functions. The robustness of a cryptosystem essentially depends on the difficulty of computing the inverse of its one-way function. There is no mathematical proof that establishes whether it is impossible to find the inverse of a given one-way function. Therefore, it is mandatory to use a cryptosystem whose security is scientifically proven (especially for banking, governments, etc.). On the other hand, the security of quantum cryptography can be formally demonstrated. In fact, its security is based on the laws of physics that assure the unconditional security. How is it possible to use and integrate quantum cryptography into existing solutions? This thesis proposes a method to integrate quantum cryptography into existing communication protocols like PPP, IPSec and the 802.l1i protocol. It sketches out some possible scenarios in order to prove the feasibility and to estimate the cost of such scenarios. Directives and checkpoints are given to help in certifying quantum cryptography solutions according to Common Criteria.
Résumé La cryptographie classique est basée sur des concepts mathématiques dont la sécurité dépend de la complexité du calcul de l'inverse des fonctions. Ce type de chiffrement est à la merci de la puissance de calcul des ordinateurs ainsi que la découverte d'algorithme permettant le calcul des inverses de certaines fonctions mathématiques en un temps «raisonnable ». L'utilisation d'un procédé dont la sécurité est scientifiquement prouvée s'avère donc indispensable surtout les échanges critiques (systèmes bancaires, gouvernements,...). La cryptographie quantique répond à ce besoin. En effet, sa sécurité est basée sur des lois de la physique quantique lui assurant un fonctionnement inconditionnellement sécurisé. Toutefois, l'application et l'intégration de la cryptographie quantique sont un souci pour les développeurs de ce type de solution. Cette thèse justifie la nécessité de l'utilisation de la cryptographie quantique. Elle montre que le coût engendré par le déploiement de cette solution est justifié. Elle propose un mécanisme simple et réalisable d'intégration de la cryptographie quantique dans des protocoles de communication largement utilisés comme les protocoles PPP, IPSec et le protocole 802.1li. Des scénarios d'application illustrent la faisabilité de ces solutions. Une méthodologie d'évaluation, selon les critères communs, des solutions basées sur la cryptographie quantique est également proposée dans ce document. Abstract Classical cryptography is based on mathematical functions. The robustness of a cryptosystem essentially depends on the difficulty of computing the inverse of its one-way function. There is no mathematical proof that establishes whether it is impossible to find the inverse of a given one-way function. Therefore, it is mandatory to use a cryptosystem whose security is scientifically proven (especially for banking, governments, etc.). On the other hand, the security of quantum cryptography can be formally demonstrated. In fact, its security is based on the laws of physics that assure the unconditional security. How is it possible to use and integrate quantum cryptography into existing solutions? This thesis proposes a method to integrate quantum cryptography into existing communication protocols like PPP, IPSec and the 802.l1i protocol. It sketches out some possible scenarios in order to prove the feasibility and to estimate the cost of such scenarios. Directives and checkpoints are given to help in certifying quantum cryptography solutions according to Common Criteria.
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.
Quelque soit l’environnement dans lequel se deroule une communication, la securite reste un pilier necessaire pour le bon deroulement de cette communication. Afin d’assurer un certain niveau de securite, la confidentialite est un element essentiel a assurer. Ce sont les techniques de cryptographie qui l’assurent. La pierre angulaire des techniques cryptographiques est la gestion de cle. Plusieurs protocoles ont ete proposes pour assurer une bonne gestion de cle dans un groupe, mais leur securite se base sur la complexite computationnelle. La distribution de cle quantique, par abus dite cryptographie quantique, est une primitive cryptographique basee sur les lois de la mecanique quantique, permettant d’etablir une cle secrete commune entre les traditionnels correspondants Alice et Bob. Dans cette these, nous nous interessons a la problematique de la distribution de cle dans groupe. Nous proposons pour cela une solution basee sur la distribution de cle quantique, ce qui permet d’exploiter cette meme solution dans le contexte de groupe. Nous avancons par la suite la preuve formelle de la solution proposee en utilisant le verificateur formel PRISM
Sécurité des protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des codes correcteurs d'erreurs Contrairement aux protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des nombres, les systèmes de chiffrement basés sur les codes correcteurs d’erreurs semblent résister à l’émergence des ordinateurs quantiques. Un autre avantage de ces systèmes est que le chiffrement et le déchiffrement sont très rapides, environ cinq fois plus rapide pour le chiffrement, et 10 à 100 fois plus rapide pour le déchiffrement par rapport à RSA. De nos jours, l’intérêt de la communauté scientifique pour la cryptographie basée sur les codes est fortement motivé par la dernière annonce de la “National Institute of Standards and Technology" (NIST), qui a récemment initié le projet intitulé “Post-Quantum cryptography Project". Ce projet vise à définir de nouveaux standards pour les cryptosystèmes résistants aux attaques quantiques et la date limite pour la soumission des cryptosystèmes à clé publique est fixée pour novembre 2017. Une telle annonce motive certainement à proposer de nouveaux protocoles cryptographiques basés sur les codes, mais aussi à étudier profondément la sécurité des protocoles existants afin d’écarter toute surprise en matière de sécurité. Cette thèse suit cet ordre d’idée en étudiant la sécurité de plusieurs protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des codes correcteurs d’erreurs. Nous avons commencé par l’étude de la sécurité d’une version modifiée du cryptosystème de Sidelnikov, proposée par Gueye et Mboup [GM13] et basée sur les codes de Reed-Muller. Cette modification consiste à insérer des colonnes aléatoires dans la matrice génératrice (ou de parité) secrète. La cryptanalyse repose sur le calcul de carrés du code public. La nature particulière des codes de Reed-Muller qui sont définis au moyen de polynômes multivariés binaires, permet de prédire les valeurs des dimensions des codes carrés calculés, puis permet de récupérer complètement en temps polynomial les positions secrètes des colonnes aléatoires. Notre travail montre que l’insertion de colonnes aléatoires dans le schéma de Sidelnikov n’apporte aucune amélioration en matière de sécurité. Le résultat suivant est une cryptanalyse améliorée de plusieurs variantes du cryptosystème GPT qui est un schéma de chiffrement en métrique rang utilisant les codes de Gabidulin. Nous montrons qu’en utilisant le Frobenius de façon appropriée sur le code public, il est possible d’en extraire un code de Gabidulin ayant la même dimension que le code de Gabidulin secret mais avec une longueur inférieure. Le code obtenu corrige ainsi moins d’erreurs que le code secret, mais sa capacité de correction d’erreurs dépasse le nombre d’erreurs ajoutées par l’expéditeur et par conséquent, un attaquant est capable de déchiffrer tout texte chiffré, à l’aide de ce code de Gabidulin dégradé. Nos résultats montrent qu’en fin de compte, toutes les techniques existantes visant à cacher la structure algébrique des codes de Gabidulin ont échoué. Enfin, nous avons étudié la sécurité du système de chiffrement de Faure-Loidreau [FL05] qui est également basé sur les codes de Gabidulin. Inspiré par les travaux précédents et, bien que la structure de ce schéma diffère considérablement du cadre classique du cryptosystème GPT, nous avons pu montrer que ce schéma est également vulnérable à une attaque polynomiale qui récupère la clé privée en appliquant l’attaque d’Overbeck sur un code public approprié. Comme exemple, nous arrivons en quelques secondes à casser les paramètres qui ont été proposés comme ayant un niveau de sécurité de 80 bits.
Communications quantiques multimodes et cryptographie hybride 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.
Les ordinateurs quantiques promettent de surprenantes puissances de calcul en exploitant les étonnantes propriétés de particules infiniment petites. Je m'applique à prouver la sécurité de protocoles permettant à un client purement classique d'utiliser les ressources calculatoires d'un serveur quantique, de manière à ce que le calcul effectué ne soit jamais révélé au serveur. À cette fin, je développe un outil modulaire permettant de générer sur un serveur distant un état quantique que seul le client est en capacité de décrire, et je montre comment on peut générer plus efficacement des états quantiques sur plusieurs qubits. Je prouve également qu'il n'existe pas de protocoles de ce type qui soit sécurisé dans un modèle de sécurité généralement composable, y compris lorsque ce module est utilisé dans le protocole UBQC. Outre le calcul délégué, cet outil s’avère également être utile pour effectuer une tache qui pourrait paraître impossible à réaliser de prime abord: prouver des propriétés avancées sur un état quantique de manière non-interactive (un seul message est envoyé) et non-destructive (l'état quantique reçu est intact), y compris lorsque cet état est généré collaborativement par plusieurs participants. Cette propriété s'avère en particulier utile pour pouvoir filtrer les participants dans un protocole sans révéler leur identité, et peut avoir des applications dans d'autres domaines, par exemple pour transmettre un état quantique sur un réseau tout en cachant la source et la destination du message. Enfin, je discute de mes travaux indépendants en cours sur les programmes à usage unique, mêlant cryptographie quantique, codes correcteurs et théorie de l'information.
Cryptographie pour le stockage confidentiel à long terme et protocoles sur la distribution quantique de clé La cryptographie joue aujourd'hui un rôle pour assurer la confidentialité des données, dans un contexte où les fuites de données sont de plus en plus fréquentes. La démocratisation du "Cloud computing", c'est à dire l'utilisation des serveurs informatiques de quelqu'un d'autre, oblige également à assurer la confidentialité du stockage de données. L'amélioration continue des méthodes de cryptanalyse, ainsi que l'évolution de la puissance de calcul de nos ordinateurs imposent une adaptation constante des algorithmes cryptographiques. Par exemple les cryptanalyses linéaire et différentielle sont venues à bout de l'algorithme DES, qui a dû être remplacé par AES au début des années 2000. De même, si un niveau de sécurité de 80 bits était considéré suffisant à cette période, la norme est aujourd'hui à 256 bits. L'avènement de l'ordinateur quantique viendra un jour à bout des algorithmes de chiffrement asymétrique utilisés aujourd'hui, tels que RSA. Comment alors concevoir aujourd'hui des méthodes de chiffrement qui résisteront à la cryptanalyse à long terme ? La distribution quantique de clés (QKD) apporte une solution élégante à ce problème. Un secret est échangé directement entre les participants par la transmission de qubits, généralement des photons transmis via une fibre optique. Le théorème de non-clonage interdit à un adversaire d'écouter la communication sans être détecté par les participants. Ne disposant d'aucune information, il ne pourra jamais découvrir le secret échangé, peu importe l'évolution de sa puissance de calcul. Le principal inconvénient de la distribution quantique de clés demeure néanmoins sa portée géographique limitée, le théorème de non-clonage interdisant la mise en place d'amplificateurs pour compenser les pertes de photons dans la fibre optique. Dans cette thèse, nous concevons un protocole permettant d'étendre la portée géographique de la distribution quantique de clés, par l'utilisation de noeuds intermédiaires. Nous avons effectué la vérification formelle de notre protocole. Nous proposons une modification du protocole TLS pour utiliser des clés échangées via la distribution quantique de clés. Notre protocole, compatible avec le standard ETSI GS QKD 014, est vérifié formellement. Nous proposons une implémentation open-source de celui-ci. Nous proposons une nouvelle méthode de construction de boîtes de substitution (S-Boxes), utilisées par les algorithmes de chiffrement par blocs ou de hachage. Notre méthode, s'appuyant sur l'utilisation d'automates cellulaires uniformes, permet de construire des S-Boxes de haute qualité cryptographique. Nous testons également une méthode permettant de construire de grosses fonctions booléennes à partir de plus petites, tout en conservant les propriétés cryptographiques de celles-ci. Nous présentons MULTISS, un protocole de stockage confidentiel distribué sur plusieurs réseaux de distribution quantiques de clés, garantissant une sécurité information théorique, tout en protégeant le secret contre un adversaire en mesure de prendre le contrôle de réseaux QKD dans leur globalité. Nous concevons un protocole de certificateless encryption distribuée basé sur les codes quasi-cycliques à densité modérée, permettant de basculer le modèle de confiance d'une autorité prédéfinie vers une confiance distribuée. Notre protocole permet ainsi d'assurer les échanges sécurisés de différents réseaux QKD distants, sans désigner d'autorité de confiance. Finalement, nous concevons une primitive de chiffrement symétrique, permettant la rotation de clé avec une possible mise à jour du niveau de sécurité de celle-ci. Notre primitive permet donc d'adapter le niveau de sécurité d'un chiffré au fur et à mesure de l'évolution de la puissance de calcul d'un attaquant, sans avoir besoin d'un déchiffrement intermédiaire.