(English) The main goal of this dissertation is to develop new lattice-based cryptographic schemes. Most of the cryptographic protocols that each and every one of us use on a daily basis are only secure under the assumption that two mathematical problems, namely the discrete logarithm on elliptic curves and the factorization of products of two primes, are computationally hard. That is believed to be true for classical computers, but quantum computers would be able to solve these problems much more efficiently, demolishing the foundations of plenty of cryptographic constructions. This reveals the importance of post-quantum alternatives, cryptographic schemes whose security relies on different problems intractable for both classical and quantum computers. The most promising family of problems widely believed to be hard for quantum computers are lattice-based problems. We increase the supply of lattice-based tools providing new Zero-Knowledge Proofs of Knowledge for the Ring Learning With Errors (RLWE) problem, perhaps the most popular lattice-based problem. Zero-knowledge proofs are protocols between a prover and a verifier where the prover convinces the verifier of the validity of certain statements without revealing any additional relevant information. Our proofs extend the literature of Stern-based proofs, following the techniques presented by Jacques Stern in 1994. His original idea involved a code-based problem, but it has been reiteratedly improved and generalized to be used with lattices. We illustrate our proposal defining a variant of the commitment scheme, a cryptographic primitive that allows us to ensure some message was already determined at some point without revealing it until a future time, defined by Benhamouda et al. in ESORICS 2015, and proving in zero-knowledge the knowledge of a valid opening. Most importantly we also show how to prove that the message committed in one commitment is a linear combination, with some public coefficients, of the committed messages from two other commitments, again without revealing any further information about the messages. Finally, we also present a zero-knowledge proof analogous to the previous one but for multiplicative relations, something much more involved that allows us to prove any arithmetic circuit. We give first an interactive version of these proofs and then show how to construct a non-interactive one. We diligently prove that both the commitment and the companion Zero-Knowledge Proofs of Knowledge are secure under the assumption of the hardness of the underlying lattice problems. Furthermore, we specifically develop such proofs so that the arising conditions can be directly used to compute parameters that satisfy them. This way we provide a general method to instantiate our commitment and proofs with any desired security level. Thanks to this practical approach we have been able to implement all the proposed schemes and benchmark the prototype im-plementation with actually secure parameters, which allows us to obtain meaningful results and compare its performance with the existing alternatives. Moreover, provided that multiplication of polynomials in the quotient ring ℤₚ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ + 1⟩, with 𝑝 prime and 𝑛 a power of two, is the most basic operation when working with ideal lattices we comprehensively study what are the necessary and sufficient conditions needed for applying (a generalized version of) the Fast Fourier Transform (FFT) to obtain an efficient multiplication algorithm in quotient rings as ℤₘ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ − 𝑎⟩ (where we consider any positive integer 𝑚 and generalize the quotient), as we think it is of independent interest. We believe such a theoretical analysis is fundamental to be able to determine when a given generalization can also be applied to design an efficient multiplication algorithm when the FFT is not defined for the ring we are considering. That is the case of the rings used for the commitment and proofs described before, where only a partial FFT is available. (Español) El objetivo principal de esta tesis es obtener nuevos esquemas criptográficos basados en retículos. La mayoría de los protocolos criptográficos que usamos a diario son únicamente seguros bajo la hipótesis de que el problema del logaritmo discreto en curvas elípticas y la factorización de productos de dos primos son computacionalmente difíciles. Se cree que esto es cierto para los ordenadores clásicos, pero los ordenadores cuánticos podrían resolver estos problemas de forma mucho más eficiente, acabando con las bases sobre las que se fundamenta una multitud de construcciones criptográficas. Esto evidencia la importancia de las alternativas poscuánticas, cuya seguridad se basa en problemas diferentes que sean inasumibles tanto para los ordenadores clásicos como los cuánticos. Los problemas de retículos son los candidatos más prometedores, puesto que se considera que son problemas difíciles para los ordenadores cuánticos. Presentamos nuevas herramientas basadas en retículos con unas Pruebas de Conocimiento Nulo para el problema Ring Learning With Errors (RLWE), seguramente el problema de retículos más popular. Las pruebas de Conocimiento Nulo son protocolos entre un probador y un verificador en los que el primero convence al segundo de la validez de una proposición, sin revelar ninguna información adicional relevante. Nuestras pruebas se basan en el protocolo de Stern, siguiendo sus técnicas presentadas en 1994. Su idea original involucraba un problema de códigos, pero se ha mejorado y generalizado reiteradamente para poder aplicarse a retículos. Ilustramos nuestra propuesta definiendo una variante del esquema de compromiso, una primitiva criptográfica que nos permite asegurar que un mensaje fue determinado en cierto momento sin revelarlo hasta pasado un tiempo, definido por Benhamouda et al. en ESORICS 2015, y probando que conocemos una apertura válida. Además mostramos cómo probar que el mensaje comprometido es una combinación lineal, con coeficientes públicos, de los mensajes comprometidos en otros dos compromisos. Finalmente también presentamos una prueba de Conocimiento Nulo análoga a la anterior pero para relaciones multiplicativas, algo mucho más laborioso que nos permite realizar circuitos aritméticos. Todo esto sin revelar ninguna información adicional sobre los mensajes. Mostramos tanto una versión interactiva como una no interactiva. Probamos que tanto el compromiso como las pruebas de Conocimiento Nulo que le acompañan son seguras bajo la hipótesis de que el problema de retículos subyacente sea difícil. Además planteamos estas pruebas específicamente con el objetivo de que las condiciones que surjan puedan ser utilizadas directamente para calcular los parámetros que las satisfagan. De esta forma proporcionamos un método genérico para instanciar nuestro compromiso y pruebas con cualquier nivel de seguridad. Gracias a este enfoque práctico hemos podido implementar todos los esquemas propuestos y evaluar el rendimiento con parámetros seguros, lo que nos permite obtener resultados relevantes que poder comparar con las alternativas existentes. Por otra parte, dado que la multiplicación de polinomios en el anillo cociente ℤₚ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ + 1⟩, con 𝑝 primo y 𝑛 una potencia de 2, es la operación más utilizada al trabajar con retículos ideales, estudiamos de forma exhaustiva cuáles son las condiciones suficientes y necesarias para aplicar (una versión generalizada de) la Transformada Rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés) para obtener algoritmos de multiplicación eficientes en anillos cociente ℤₘ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ − 𝑎⟩, (considerando cualquier 𝑚 positiva y generalizando el cociente), de interés por sí mismo. Creemos que este análisis teórico es fundamental para determinar cuándo puede diseñarse un algoritmo eficiente de multiplicación si la FFT no está definida para el anillo considerado. Es el caso de los anillos que utilizamos en el compromiso y las pruebas descritas anteriormente, donde solo es posible calcular una FFT parcial.
(English) The main goal of this dissertation is to develop new lattice-based cryptographic schemes. Most of the cryptographic protocols that each and every one of us use on a daily basis are only secure under the assumption that two mathematical problems, namely the discrete logarithm on elliptic curves and the factorization of products of two primes, are computationally hard. That is believed to be true for classical computers, but quantum computers would be able to solve these problems much more efficiently, demolishing the foundations of plenty of cryptographic constructions. This reveals the importance of post-quantum alternatives, cryptographic schemes whose security relies on different problems intractable for both classical and quantum computers. The most promising family of problems widely believed to be hard for quantum computers are lattice-based problems. We increase the supply of lattice-based tools providing new Zero-Knowledge Proofs of Knowledge for the Ring Learning With Errors (RLWE) problem, perhaps the most popular lattice-based problem. Zero-knowledge proofs are protocols between a prover and a verifier where the prover convinces the verifier of the validity of certain statements without revealing any additional relevant information. Our proofs extend the literature of Stern-based proofs, following the techniques presented by Jacques Stern in 1994. His original idea involved a code-based problem, but it has been reiteratedly improved and generalized to be used with lattices. We illustrate our proposal defining a variant of the commitment scheme, a cryptographic primitive that allows us to ensure some message was already determined at some point without revealing it until a future time, defined by Benhamouda et al. in ESORICS 2015, and proving in zero-knowledge the knowledge of a valid opening. Most importantly we also show how to prove that the message committed in one commitment is a linear combination, with some public coefficients, of the committed messages from two other commitments, again without revealing any further information about the messages. Finally, we also present a zero-knowledge proof analogous to the previous one but for multiplicative relations, something much more involved that allows us to prove any arithmetic circuit. We give first an interactive version of these proofs and then show how to construct a non-interactive one. We diligently prove that both the commitment and the companion Zero-Knowledge Proofs of Knowledge are secure under the assumption of the hardness of the underlying lattice problems. Furthermore, we specifically develop such proofs so that the arising conditions can be directly used to compute parameters that satisfy them. This way we provide a general method to instantiate our commitment and proofs with any desired security level. Thanks to this practical approach we have been able to implement all the proposed schemes and benchmark the prototype im-plementation with actually secure parameters, which allows us to obtain meaningful results and compare its performance with the existing alternatives. Moreover, provided that multiplication of polynomials in the quotient ring ℤₚ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ + 1⟩, with 𝑝 prime and 𝑛 a power of two, is the most basic operation when working with ideal lattices we comprehensively study what are the necessary and sufficient conditions needed for applying (a generalized version of) the Fast Fourier Transform (FFT) to obtain an efficient multiplication algorithm in quotient rings as ℤₘ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ − 𝑎⟩ (where we consider any positive integer 𝑚 and generalize the quotient), as we think it is of independent interest. We believe such a theoretical analysis is fundamental to be able to determine when a given generalization can also be applied to design an efficient multiplication algorithm when the FFT is not defined for the ring we are considering. That is the case of the rings used for the commitment and proofs described before, where only a partial FFT is available. (Español) El objetivo principal de esta tesis es obtener nuevos esquemas criptográficos basados en retículos. La mayoría de los protocolos criptográficos que usamos a diario son únicamente seguros bajo la hipótesis de que el problema del logaritmo discreto en curvas elípticas y la factorización de productos de dos primos son computacionalmente difíciles. Se cree que esto es cierto para los ordenadores clásicos, pero los ordenadores cuánticos podrían resolver estos problemas de forma mucho más eficiente, acabando con las bases sobre las que se fundamenta una multitud de construcciones criptográficas. Esto evidencia la importancia de las alternativas poscuánticas, cuya seguridad se basa en problemas diferentes que sean inasumibles tanto para los ordenadores clásicos como los cuánticos. Los problemas de retículos son los candidatos más prometedores, puesto que se considera que son problemas difíciles para los ordenadores cuánticos. Presentamos nuevas herramientas basadas en retículos con unas Pruebas de Conocimiento Nulo para el problema Ring Learning With Errors (RLWE), seguramente el problema de retículos más popular. Las pruebas de Conocimiento Nulo son protocolos entre un probador y un verificador en los que el primero convence al segundo de la validez de una proposición, sin revelar ninguna información adicional relevante. Nuestras pruebas se basan en el protocolo de Stern, siguiendo sus técnicas presentadas en 1994. Su idea original involucraba un problema de códigos, pero se ha mejorado y generalizado reiteradamente para poder aplicarse a retículos. Ilustramos nuestra propuesta definiendo una variante del esquema de compromiso, una primitiva criptográfica que nos permite asegurar que un mensaje fue determinado en cierto momento sin revelarlo hasta pasado un tiempo, definido por Benhamouda et al. en ESORICS 2015, y probando que conocemos una apertura válida. Además mostramos cómo probar que el mensaje comprometido es una combinación lineal, con coeficientes públicos, de los mensajes comprometidos en otros dos compromisos. Finalmente también presentamos una prueba de Conocimiento Nulo análoga a la anterior pero para relaciones multiplicativas, algo mucho más laborioso que nos permite realizar circuitos aritméticos. Todo esto sin revelar ninguna información adicional sobre los mensajes. Mostramos tanto una versión interactiva como una no interactiva. Probamos que tanto el compromiso como las pruebas de Conocimiento Nulo que le acompañan son seguras bajo la hipótesis de que el problema de retículos subyacente sea difícil. Además planteamos estas pruebas específicamente con el objetivo de que las condiciones que surjan puedan ser utilizadas directamente para calcular los parámetros que las satisfagan. De esta forma proporcionamos un método genérico para instanciar nuestro compromiso y pruebas con cualquier nivel de seguridad. Gracias a este enfoque práctico hemos podido implementar todos los esquemas propuestos y evaluar el rendimiento con parámetros seguros, lo que nos permite obtener resultados relevantes que poder comparar con las alternativas existentes. Por otra parte, dado que la multiplicación de polinomios en el anillo cociente ℤₚ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ + 1⟩, con 𝑝 primo y 𝑛 una potencia de 2, es la operación más utilizada al trabajar con retículos ideales, estudiamos de forma exhaustiva cuáles son las condiciones suficientes y necesarias para aplicar (una versión generalizada de) la Transformada Rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés) para obtener algoritmos de multiplicación eficientes en anillos cociente ℤₘ[𝑥]/⟨𝑥ⁿ − 𝑎⟩, (considerando cualquier 𝑚 positiva y generalizando el cociente), de interés por sí mismo. Creemos que este análisis teórico es fundamental para determinar cuándo puede diseñarse un algoritmo eficiente de multiplicación si la FFT no está definida para el anillo considerado. Es el caso de los anillos que utilizamos en el compromiso y las pruebas descritas anteriormente, donde solo es posible calcular una FFT parcial.
Lattice-based cryptography is one of the most active research topics in cryptography in recent years. In many cryptographic constructions based on lattice assumptions, the building block is a proof of knowledge of a solution to an instance of the Inhomogeneous Small Integer Solution (ISIS) problem. However, all known such proof \n \nsystems have relatively weak security guarantees: Breaking each of these protocols is potentially easier than solving the underlying instance of the ISIS problem. As a consequence, cryptographic constructions relying on these proof systems typically inherit the sub-optimal security guarantees. Therefore, proof systems with stronger security guarantees are highly desirable. Such protocols are not only interesting from a theoretical point of view, but they also lead to lattice-based cryptographic constructions relying on weaker hardness assumptions than the contemporary schemes. \n \n \n \nIn this thesis, we construct a series of zero-knowledge proofs of knowledge with strong security guarantees and reasonable communication costs, that can find various applications in lattice-based cryptography. Our constructions rely on a simple, yet versatile and effective technique, called Decomposition-Extension. When adapting this technique to the Stern-KTX proof system (Stern ‘96 - Kawachi, Tanaka, Xagawa ‘08), we obtain a zero-knowledge proof of knowledge for the ISIS problem (in the infinity norm) with a very strong security guarantee: Breaking the protocol is as least as hard as solving the underlying ISIS instance. We then develop our technique to design the following lattice-based cryptographic constructions: \n \n \n \n- Efficient zero-knowledge proofs of plaintext knowledge with strong security guarantees \n \nfor 4 encryption schemes based on the Learning with Errors problem: Regev’s scheme (Regev ‘05); the Dual-Regev scheme (Gentry, Peikert, Vaikuntanathan ‘08); the PVW scheme (Peikert, Vaikuntanathan, Waters ‘08); and the GHV scheme (Gentry, Halevi, Vaikuntanathan ‘10). Our results immediately yield 4 lattice-based interactive encryption protocols that are secure under chosen ciphertext attacks. Previously, only zero-knowledge proofs of plaintext knowledge for Regev’s scheme were known, and they are relatively inefficient with rather weak security guarantees. \n \n \n \n- A lattice-based identity-based identification scheme relying on a weaker hardness assumption than in the previous works. Furthermore, we introduce an identity-based ring identification scheme based on the worst-case hardness of lattice problems. To the best of our knowledge, this is the first such scheme. \n \n \n \n- An improved lattice-based group signature scheme relying on relatively weak hardness assumptions, in which the signature size is logarithmic in the number of group users. Earlier lattice-based group signature schemes, which were published before 2013, rely on relatively weak hardness assumptions but have the undesirable property that the size of the signature is linear in the number of group users. A recent scheme (Laguillaumie, Langlois, Libert, Stehlé ‘13) achieves logarithmic signature size but it has to rely on relatively strong hardness assumptions. Our construction, thus, simultaneously achieves the good features of the existing schemes.
[ES] El boom de internet ha marcado el comienzo de la era digital y ésta ha traído consigo un desarrollo espectacular de las tecnologías de la información y de las comunicaciones, entre las que la criptografía es la reina. La criptografía de clave pública actual está basada principalmente en dos problemas que la comunidad criptográfica asume como difíciles: la factorización y el logaritmo discreto. Sin embargo, si se llegase a construir un computador cuántico lo suficientemente potente, esta dificultad no sería tal. Así pues, la computación cuántica pondría en un grave aprieto a la criptografía moderna y, puesto que la trayectoria reciente del campo sugiere que ésta podría convertirse en una realidad en un futuro no muy lejano, la comunidad criptográfica ha comenzado a explorar otras opciones para estar lista en caso de que se logre construir un computador cuántico eficiente. Esto ha dado un im- pulso a lo que se conoce como criptografía post-cuántica, aquella cuya dificultad no se vería afectada por este nuevo paradigma de computación y que está basada en los llamados problemas resistentes a la computación cuántica. La criptografía post-cuántica ha suscitado mucho interés recientemente y actualmente está en proceso de estandarización, por lo que en el momento de iniciar esta tesis resultaba relevante estudiar problemas supuestamente resistentes al computador cuántico. La parte central de esta tesis es el análisis de la dificultad del problema de los subespacios ocultos (HSP por sus siglas en inglés) y del problema de los subespacios ocultos con ruido (NHSP), dos problemas resistentes al computador cuántico según sus autores. Además de la relevancia que su supuesta resistencia a la computación cuántica les confiere, estos dos problemas son también importantes porque en su dificultad se sustenta la seguridad de las dos versiones del primer esquema de dinero cuántico de clave pública que cuenta con una prueba de seguridad. Este primer esquema es el de Aaronson-Christiano, que implementa dinero cuántico — un tipo de dinero que explota las leyes de la mecánica cuántica para crear dinero infalsificable — que cualquiera puede verificar. Los resultados obtenidos acerca de la dificultad del HSP y del NHSP tienen un impacto directo sobre la seguridad del esquema de Aaronson-Christiano, lo cual nos motivó a centrar esta tesis en estos dos problemas. El Capítulo 3 contiene nuestros resultados acerca del problema de los subespacios ocultos y está fundamentalmente basado en nuestro trabajo [Conde Pena et al.,2015]. Los autores del HSP lo definieron originalmente sobre el cuerpo binario, pero nosotros extendemos la definición a cualquier otro cuerpo finito de orden primo, siempre considerando que la instanciación es la que los autores proponen. Después de modelar el HSP con un sistema de ecuaciones con buenas propiedades, usamos técnicas de criptoanálisis algebraico para explorar el sistema en profundidad. Para el HSP sobre cualquier cuerpo que no sea el binario diseñamos un algoritmo que resuelve de manera eficiente instancias que satisfacen una cierta condición. Utilizando técnicas distintas, construimos un algoritmo heurístico, sustentado por argumentos teóricos, que resuelve eficientemente instancias del HSP sobre el cuerpo binario. Ambos algo-ritmos comprometen la dificultad del HSP siempre que las instancias del problema sean escogidas como Aaronson-Christiano proponen. Como consecuencia, nuestros algoritmos vulneran la seguridad de la versión del esquema sin ruido. El capítulo 4 contiene nuestros resultados acerca del problema de los subespacios ocultos con ruido y está fundamentalmente basado en nuestro trabajo [Conde Pena et al., 2018]. Al igual que con el HSP, extendemos la definición del NHSP a cualquier otro cuerpo de orden primo y consideramos instancias generadas como especifi- can Aaronson-Christiano. Mostramos que el NHSP se puede reducir al HSP sobre cualquier cuerpo primo que no sea el binario para ciertas instancias, mientras que el NHSP sobre el cuerpo binario se puede resolver con una probabilidad mayor de la asumida por los autores en la conjetura sobre la que la seguridad de su esquema con ruido se sustenta. Aunque nuestros resultados se obtienen desde un punto de vista puramente no cuántico, durante el desarrollo de esta tesis otro autor demostró que existe una reducción cuántica del NHSP al HSP también en el caso binario. Por tanto, la dificultad del NHSP y la seguridad del esquema de Aaronson-Christiano con ruido se han visto comprometidas por nuestros descubrimientos acerca del HSP.
Lattice-based cryptography is a branch of cryptography exploiting the presumed hardness of some well-known problems on lattices. Its main advantages are its simplicity, efficiency, and apparent security against quantum computers. The principle of the security proofs in lattice-based cryptography is to show that attacking a given scheme is at least as hard as solving a particular problem, as the Learning with Errors problem (LWE) or the Small Integer Solution problem (SIS). Then, by showing that those two problems are at least as hard to solve than a hard problem on lattices, presumed polynomial time intractable, we conclude that the constructed scheme is secure.In this thesis, we improve the foundation of the security proofs and build new cryptographic schemes. We study the hardness of the SIS and LWE problems, and of some of their variants on integer rings of cyclotomic fields and on modules on those rings. We show that there is a classical hardness proof for the LWE problem (Regev's prior reduction was quantum), and that the module variants of SIS and LWE are also hard to solve. We also give two new lattice-based group signature schemes, with security based on SIS and LWE. One is the first lattice-based group signature with logarithmic signature size in the number of users. And the other construction allows another functionality, verifier-local revocation. Finally, we improve the size of some parameters in the work on cryptographic multilinear maps of Garg, Gentry and Halevi in 2013.
Desde su origen, la teoria de la informacion ha tenido fuertes conexiones con la mecanica estadistica. El mismo termino entropia de la informacion fue elegido por Shannon a partir del termino usado en termodinamica, bajo sugerencia de Von Neumann. La misma relacion se ha desarrollado recientemente entre las correspondientes generalizaciones cuanticas de ambas teorias, que son la informacion cuantica, que estudia el almacenamiento y la manipulacion de la informacion en sistemas cuanticos, y la fisica de muchos cuerpos. Las conexiones entre los dos campos aumentan cada dia y van en las dos direcciones. Las herramientas e ideas de la informacion cuantica ayudan a solucionar problemas abiertos en teoria de la materia condensada, y nuevos modelos de muchos cuerpos se desarrollan para aplicaciones de la informacion cuantica. Al mismo tiempo la implementacion y el control experimental de pequenos sistemas cuanticos ha mejorado de forma espectacular, aumentando la posibilidad de que estos experimentos se puedan llevar a cabo a escala mas grande, abriendo la posibilidad de aplicaciones practicas.
Es reciente el interes de la comunidad de investigadores en informacion cuantica por estos modelos, y se ha empezado a ver este tipo de evoluciones no solamente como un problema que resolver, sino como un recurso que explotar. Este fundamental cambio de perspectiva ha abierto una nueva linea de investigacion en el campo, incorporando ideas sobre como construir evoluciones artificiales en las cuales la disipacion trabaja en nuestro favor en vez de en nuestra contra, incluso protegiendo el sistema de otros ruidos incontrolados. De esta manera se han planteado nuevos problemas interesantes, como cual es el poder computacional de estos modelos y que condiciones pueden garantizar la resistencia contra el ruido externo.
Esta tesis es parte del esfuerzo para mejorar nuestro conocimiento de estos modelos.
Nos hemos centrado en el estudio de las propiedades de evoluciones disipativas de sistemas cuanticos de espines en un reticulo, bajo una hipotesis que llamamos equilibracion rapida. Consideramos evoluciones disipativas con un unico punto fijo, y que comprimen todo el espacios de estados iniciales en un entorno decreciente del punto fijo. La escala temporal a la cual se tiene esta compresion, es decir el tiempo que tenemos que esperar para que cualquier estado inicial se encuentre arbitrariamente cercano al punto fijo, se llama tiempo de equilibracion del proceso. La condicion de equilibracion rapida pide que este tiempo sea logaritmico en el tamano del sistema.
La contribucion principal de esta tesis es demostrar que la equilibracion rapida tiene importantes consecuencias en las propiedades del sistema. Este sera estable bajo perturbaciones externas y sus puntos fijos satisfaran una ley de area para la informacion mutua.
La parte mas tecnica de este trabajo se basa en las llamadas cotas de Lieb Robinson. Muy conocidas en el caso de sistemas cerrados, pero igualmente validas para sistemas abiertos, las cotas de Lieb Robinson formalizan la idea que la informacion en un sistema de muchos cuerpos solo puede moverse con una velocidad finita, dado que su propagacion esta mediada por las interacciones locales. Por lo tanto, controlar la escala temporal con la cual la evolucion converge permite a su vez controlar la escala espacial a la cual se pueden crear correlaciones.
In this thesis we will discuss hard computational problems in lattice theory and relate them to cryptographic constructions. Many of these problems enjoy average-case hardness which makes them attractive for cryptography. In addition, lattice based cryptography is a candidate for post-quantum cryptography, as there is no known quantum algorithm which breaks various hardness theorems.\n\nWe build a foundation in algebraic number theory to have the required background to discuss schemes based on discrete algebraic structures. These structures are free Z-modules which permits unique factorization in prime ideals. We relate this algebraic number theory to lattices in R^n so we can use the theory from algebra to our advantage.\n\nWe then define some standard hard computational lattice problems and show how many of these are related to each other. We prove that these problems are at least as hard as finding the shortest vector of a lattice, which we conjecture is computationally infeasible. We then prove a quantum reduction the learning with errors problem, a problem in machine learning . We also show that there is a similar reduction for a variant of this problem over more general rings.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.