Dans l’ère actuelle de la communication numérique, la sécurité des réseaux de transmission optique présente un défi du premier plan. Face à la prolifération croissante de données sensibles circulant à travers ces réseaux, assurer leur confidentialité et leur intégrité est devenu une priorité absolue. Les réseaux de transmission optique, présentent des avantages significatifs en termes de bande passante et de distance importante de transmission, cependant ces réseaux ne sont pas exempts de défis en matière de sécurité.Les réseaux de transmission optique sont confrontés à une multitude de menaces variées. Parmi celles-ci, les attaques visant à intercepter ou altérer les données en transit, les tentatives de compromettre la confidentialité des informations échangées, ainsi que les attaques perturbant le fonctionnement normal du réseau, suscitent particulièrement des préoccupations. Il est donc impératif de se préparer dès maintenant en renforçant la défense et la sécurité des réseaux et des infrastructures critiques. En effet, bien que les données chiffrées actuelles ne puissent être exploitées par les mauvais acteurs, ces derniers pourraient les conserver en vue de les déchiffrer ultérieurement avec un ordinateur quantique, adoptant ainsi la stratégie connue sous le nom de « Harvest Now Decrypt Later » (HNDL). Pour faire face à des attaques potentielles des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de mettre en place des mesures utilisant une création d'entropie parfaitement aléatoire, robuste et adaptée aux couches réseau. Cet article se focalise sur la sécurité quantique en présentant une solution polyvalente, adaptée à divers cas d'utilisation et à différentes couches de protection du réseau.
Dans l’ère actuelle de la communication numérique, la sécurité des réseaux de transmission optique présente un défi du premier plan. Face à la prolifération croissante de données sensibles circulant à travers ces réseaux, assurer leur confidentialité et leur intégrité est devenu une priorité absolue. Les réseaux de transmission optique, présentent des avantages significatifs en termes de bande passante et de distance importante de transmission, cependant ces réseaux ne sont pas exempts de défis en matière de sécurité.Les réseaux de transmission optique sont confrontés à une multitude de menaces variées. Parmi celles-ci, les attaques visant à intercepter ou altérer les données en transit, les tentatives de compromettre la confidentialité des informations échangées, ainsi que les attaques perturbant le fonctionnement normal du réseau, suscitent particulièrement des préoccupations. Il est donc impératif de se préparer dès maintenant en renforçant la défense et la sécurité des réseaux et des infrastructures critiques. En effet, bien que les données chiffrées actuelles ne puissent être exploitées par les mauvais acteurs, ces derniers pourraient les conserver en vue de les déchiffrer ultérieurement avec un ordinateur quantique, adoptant ainsi la stratégie connue sous le nom de « Harvest Now Decrypt Later » (HNDL). Pour faire face à des attaques potentielles des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de mettre en place des mesures utilisant une création d'entropie parfaitement aléatoire, robuste et adaptée aux couches réseau. Cet article se focalise sur la sécurité quantique en présentant une solution polyvalente, adaptée à divers cas d'utilisation et à différentes couches de protection du réseau.
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.
Cette thèse traite du développement de deux sources de paires de photons intriqués pour des applications de communication et cryptographie quantiques. La première est une source fibrée “plug-and-play" de haute efficacité permettant de générer de l'intrication en énergie-temps et en polarisation dans la bande des télécoms pour des applications de cryptographie quantique dans des réseaux à fibre optique et à segment spatial. La seconde est une source générant de l'intrication sur la base des états de Fock dans le but de mettre en oeuvre un protocole de cryptographie quantique, reposant sur l'intrication, et indépendant du matériel employé. La première partie de ce manuscrit introduit les bases de la communication classique et des protocoles de sécurité actuels, avant de présenter la cryptographie quantique comme alternative. Elle développe les concepts fondamentaux sur lesquels est basée la sécurité de ces protocoles ainsi que les limitations inhérentes aux réseaux déployés, notamment en termes de distance. Deux solutions sont présentées pour les outrepasser : l'utilisation de répéteurs quantiques et la propagation en espace libre par voie spatiale. Les contraintes associées à ces approches sont également discutées. Sont détaillées par la suite la conception et la caractérisation d'une source de paires de photons intriqués, répondant aux exigences des réseaux à fibre optique et à segment spatial, et permettant un encodage de l'information sur plusieurs observables. À ce titre, sont discutées les différentes observables, le montage expérimental permettant leur mise en oeuvre ainsi que les contraintes découlant des spécifications mentionnées. À partir de celles-ci, une architecture finale est définie, et la caractérisation complète de cette source est présentée. La source est intégrée au réseau de cryptographie quantique Quantum@UniCA, au sein duquel elle est testée en conditions réelles pour ses performances en termes de taux de clefs et d'erreurs sur les deux observables d'encodage. En complément, des mesures en espace libre sont présentées afin d'ouvrir la voie à des liaisons quantiques satellites-sol. La seconde partie de ces travaux présente une autre source pour un nouveau type de protocole, appelé “Device-independant" ou DI, qui permet de s'affranchir du besoin de caractériser les systèmes utilisés pour l'échange de clef. Ces protocoles sont fondamentaux car ils permettent de résoudre l'une des limitations de la cryptographie quantique : l'imperfection de l'implémentation expérimentale. Cette partie présente donc le contexte et les enjeux de ce type de protocoles ainsi que les différentes étapes de ceux-ci. Elle met en évidence les points communs et les différences entre les protocoles utilisés dans la première partie et celui-ci et détaille le design de l'expérience retenue pour essayer d'aboutir à la première réalisation expérimentale d'un protocole de DI-QKD photonique.
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 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.
Les reseaux optiques sont couramment utilises pour satisfaire les besoins en transmission de donnees. Cette evolution permet d'offrir aux utilisateurs de nouveaux services, tel que la video a la demande, la video-conference, la television a haute definition etc. Le probleme de la confidentialite des donnes transferees par fibre optique a haut debit peut se poser, dans certains cas, pour l'acheminement d'information a caractere sensible ou a but commercial, parce que le canal optique peut etre espionne sans que l'emetteur et/ou recepteur ne s'en apercoivent. Les methodes classiques de cryptographie ne sont pas toujours applicables en raison du grand volume de donnees a coder. Il faut trouver un moyen physique pour securiser le transfert de donnees a haut debit en affectant le moins possible l'equipement de ligne. Ce travail de these a porte sur la conception et la modelisation d'un systeme optique de brouillage de phase pour securiser la transmission de donnees a haut debit dans des liaisons point a point WDM (Wavelength Division Multiplexing) sans affecter les equipements de ligne et la gestion des canaux. Pour ce faire, on a utilise un systeme en espace libre de faconnage. On a particulierement pris en compte la conception d'un systeme de brouillage ayant un impact reduit sur l'architecture des systemes de transmission, notamment avec une grande tolerance par rapport a l'ensemble des effets de propagation dans une fibre. D'autre part, pour garantir la confidentialite des donnees, il est necessaire de renouveler la cle de brouillage, parce qu'il est possible que l'intrus la recupere, par exemple, en utilisant la technique de l'echantillonnage lineaire optique. C'est-a-dire, qu'il faut partager la cle entre l'emetteur et le recepteur. C'est pourquoi, nous avons concentre, dans une deuxieme partie, notre effort sur la modelisation numerique d'une methode QKD (Quantum Key Distribution) qui pourrait etre utilisee pour vehiculer la cle, sur une ligne de transmission commerciale. Ce modele nous a permis par la meme d'etudier l'impact (l'intrusion) sur la methode QKD dans une liaison point a point WDM classique, sous l'influence des effets de propagation standard dans une fibre et pour une certaine distance.
Ces dernières années, les variables continues ont émergées en tant qu alternative aux variables discrètes dans les communications quantiques. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre des communications quantiques avec des variables continues. Les variables continues utilisées ici sont les quadratures d'un mode du champ électromagnétique. Pour les mesurer, nous avons construit une détection homodyne équilibrée, limitée au bruit de photons, impulsionnelle et résolue en temps. Celle-ci peut effectuer 800 000 mesures par seconde. En se fondant sur la limite de la duplication quantique, nous montrons qu'une valeur de la fidélité supérieure à 2/3 dans un protocole de téléportation quantique garantit que l'état téléporté est la meilleure copie qui reste de l'état d'entrée. Nous introduisons de nouveaux protocoles de distribution quantique de clef utilisant des variables quantiques continues, sûrs face à des attaques individuelles pour toute valeur de la transmission de la ligne optique entre Alice et Bob. En particulier, il n'est pas nécessaire que cette transmission soit plus grande que 50 % (moins de 3 dB de pertes). Ni compression des fluctuations quantiques, ni intrication ne sont nécessaires. Nous avons implémenté expérimentalement ces protocoles, en utilisant la détection homodyne limitée au bruit de photon mentionnée plus haut et des états cohérents. L'extraction complète de la clef secrète est réalisée en utilisant une technique de réconciliation par tranches inversée suivie d amplification de confidentialité. Notre dispositif expérimental produit un taux net de transmission de clef de 1,7 megabits par seconde pour une ligne sans pertes, et 75 kilobits par seconde pour une ligne avec 3,1 dB de pertes. Les limitations actuelles sont essentiellement techniques et proviennent surtout de l'efficacité limitée du logiciel de réconciliation.