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.
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.
Certification «boîte noire» : ressources quantique et distribution quantique de clé 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.
Cette these s'est elaboree dans cette periode de l'histoire de la cryptographie quantique ou plusieurs protocoles avaient ete proposes sans que leur fiabilite n'ait pu etre encore demontree, du moins pas face a toute attaque. De plus, certaines des attaques qui avaient ete mises de cote etaient en fait accessibles a l'aide de la technologie actuelle.
D'un autre cote, le but de la cryptographie quantique a toujours ete la conception de protocoles inconditionnellement fiables, cest-a-dire, fiables face a toute attaque permise par les lois de la physique sans consideration pour aucune contrainte dans le temps ou dans l'espace. Tel etait le niveau de fiabilite espere des protocoles quantiques proposes. Seule la cryptographie quantique pouvait meme oser offrir un tel niveau de securite.
Une certaine application appelee la mise en gage jouait un role primordial dans l'ensemble des applications proposees par les cryptographes quantiques et une preuve de securite inconditionnelle avait ete proposee par Brassard, Crepeau, Jozsa et Langlois pour un protocole realisant cette tache. Notre objectif de depart etait de demontrer que les protocoles de la cryptographie quantique permettent effectivement de realiser avec une securite inconditionnelle la plupart des applications proposees, pas seulement la mise en gage. Cependant, a notre grande surprise et a l'etonnement de plusieurs, nous avons au contraire demontre qu'un protocole quantique de mise en gage inconditionnelle fiable est impossible et ainsi avons remis serieusement en question une partie importante des applications de la cryptographie quantique, en plus d'avoir demoli la preuve mentionnee plus haut. Par contre, en nous appuyant sur les travaux de Bennett, Brassard, Crepeau, Salvail et plus recemment de Yao, nous avons obtenu une preuve de la securite inconditionnelle d'un protocole quantique de distribution de cle.
Un des principes importants que nous avons utilises dans notre these est celui qui dit que tous les phenomenes peuvent etre decrits comme l'execution d'une mesure quantique. De plus, nous avons utilise le fait que cette mesure peut elle-meme etre decrite comme une transformation unitaire sur le systeme qui est compose du systeme mesure, de l'appareil de mesure et du systeme final si celui-ci est different du systeme initial.
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.
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.
La cryptographie quantique permet la distribution d’une cle de cryptage partagee entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la securite inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la theorie de l’information. Nous avons realise un demonstrateur complet de cryptographie quantique, fonde sur un protocole pour lequel l’information est codee sur des variables continues de la lumiere, a savoir les quadratures du champ electromagnetique Le systeme est exclusivement constitue de composants standard de l’industrie des telecommunications, qui permettent a Alice de ge���nerer les etats coherents de la lumiere puis de les moduler, et a Bob de mesurer ces etats grâce a une detection homodyne fonctionnant en regime impulsionnel et limite par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs developpe un logiciel complet de gestion de la distribution de cle, qui assure d’une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les retrocontroles necessaires pour la stabilite de celle-ci, et qui permet d’autre part l’extraction d’une cle secrete a partir des donnees partagees apres la transmission quantique. Le systeme a ete integre dans des boitiers rackables, afin d’effectuer une demonstration en vraie de grandeur dans le cadre d’un reseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installees dans la ville d Vienne (Autriche). Lors de cette demonstration, notre systeme a fonctionne en continu pendant 57 heures, a un taux moyen de 8kbit/s. Enfin, nous avons explore differentes possibilites d’amelioration du systeme, a travers un nouveau protocole de cryptologie et l’utilisation d’amplificateurs optiques.