Le développement des ordinateurs quantiques va remettre en cause la sécurité de la cryptographie classique. Il faut d'ores et déjà se pencher sur les solutions de cryptographie quantique pour assurer une sécurité pérenne de nos échanges et du stockage de nos données.
Cet article présente les bases de la cryptographie quantique et introduit la distribution de clés cryptographiques DQC. Il décrit les risques que l'informatique quantique représente pour la cryptographie actuellement déployée et pose ces questions : Quand les ordinateurs quantiques seront-ils opérationnels ? Devons-nous déployer aujourd'hui la DQC et comment améliorer préventivement la cryptographie existante (doubler la taille des clés, changer de protocoles, mixer avec la DQC) ? Ces sujets sont traités sous l'angle de la normalisation de la DQC qui permet d'adresser ces problèmes en offrant le cadre de réflexion nécessaire à l'élaboration de normes des fonctionnalités, des composants, des conditions de fonctionnement (métrologie) et des tests nécessaires à la future assurance qualité de la cryptographie, donc celle de notre sécurité.
La cryptographie classique, aujourd’hui basée sur la complexité, doit faire face à la menace à moyen terme des ordinateurs quantiques. Une technologie prometteuse est la distribution quantique de clé qui assure une sécurité absolue basée sur les lois de la Physique Quantique. L’objectif premier de cet article est d’expliquer les fondements et les enjeux de la distribution quantique de clé en des termes simples et compréhensibles par tous. L’article présente les protocoles les plus connus et discute leur mise en place pratique dans différents milieux, ainsi que les enjeux sous-jacents.
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
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.
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.
L'information quantique est un nouveau paradigme qui utilise des systèmes quantiques pour le transfert, l'échange et le traitement de l'information. En tirant avantage des propriétés de la physique quantique, les protocoles d'information quantique offrent des améliorations notables sur certains protocoles classiques de calculs et de communication. Grâce aux corrélations non-locales, il est possible de certifier de façon fiable des systèmes quantiques et de construire des protocoles cryptographiques avec des garantis de sécurité inégalée. Certaines de ces certifications et preuves de sécurité adoptent une approche extit{boîte noire} -- elles peuvent être formulées à partir des statistiques de résultats de mesures, sans faire d'hypothèse sur le fonctionnement interne des appareils quantiques à l'origine de ces statistiques. Dans cette thèse, nous étudions deux de ces protocoles boîte noire, de leurs fondements à leurs réalisations expérimentales. Tout d'abord, nous explorons le self-testing, le protocole boîte noire le plus fondamental, qui certifie adéquatement le fonctionnement d'appareils quantiques. Nos recherches ont mis en lumière des limites fondamentales du self-testing et ont permis d'étendre son champ d'application. Dans un second temps, nous analysons la distribution quantique de clé de type boîte noire, un protocole de cryptographie quantique ayant une sécurité démontrable. En plus d'avoir étendu les preuves de sécurités, nous proposons également une méthode produisant des schémas expérimentaux ouvrant la voie à une première expérience photonique de distribution quantique de clés de type boîte noire. Finalement, nous inscrivons ces protocoles dans une perspective plus globale en montrant comment le self-testing et la cryptographie quantique sont des éléments-clés dans le développement d'un internet quantique.