Difficultés de Problèmes de Réseaux Structurés pour la Cryptographie Post-Quantique La sécurité des protocoles cryptographiques repose sur la difficulté présumée de problèmes algorithmiques. Parmi ceux qui ont été identifiés jusque-là, les meilleurs problèmes pouvant servir de fondation à une cryptographie résistante aux ordinateurs quantiques sont issus des réseaux euclidiens. Les réseaux euclidiens sont une structure mathématique définie comme un ensemble de vecteurs de l’espace générés par les combinaisons entières d’un nombre fini de vecteurs réels linéairement indépendants (sa base). Un exemple typique de problème de sécurité relié est le Shortest Vector Problem (SVP). Étant donné une base d’un réseau euclidien en dimension n, trouver un vecteur court non nul. Pour des raisons d’efficacité, ces problèmes sont restreints à des réseaux issus de la théorie des nombres, dit structurés. Les hypothèses de sécurité relatives à ces réseaux particuliers étant différentes de celles des réseaux non structurés, il est nécessaire de les étudier spécifiquement, c’est l’objet de cette thèse. Nous avons étudié le cas des modules NTRU et uSVP en rang 2, prouvant que le problème SVP est équivalent sur ces deux familles de réseaux. Nous montrons également une réduction pire-cas vers cas-moyens pour les réseaux uSVP en rang 2. Ensuite nous avons démontré que résoudre SVP sur un idéal premier de petite norme n’était pas plus facile que de résoudre SVP sur n’importe quel idéal.
Difficultés de Problèmes de Réseaux Structurés pour la Cryptographie Post-Quantique La sécurité des protocoles cryptographiques repose sur la difficulté présumée de problèmes algorithmiques. Parmi ceux qui ont été identifiés jusque-là, les meilleurs problèmes pouvant servir de fondation à une cryptographie résistante aux ordinateurs quantiques sont issus des réseaux euclidiens. Les réseaux euclidiens sont une structure mathématique définie comme un ensemble de vecteurs de l’espace générés par les combinaisons entières d’un nombre fini de vecteurs réels linéairement indépendants (sa base). Un exemple typique de problème de sécurité relié est le Shortest Vector Problem (SVP). Étant donné une base d’un réseau euclidien en dimension n, trouver un vecteur court non nul. Pour des raisons d’efficacité, ces problèmes sont restreints à des réseaux issus de la théorie des nombres, dit structurés. Les hypothèses de sécurité relatives à ces réseaux particuliers étant différentes de celles des réseaux non structurés, il est nécessaire de les étudier spécifiquement, c’est l’objet de cette thèse. Nous avons étudié le cas des modules NTRU et uSVP en rang 2, prouvant que le problème SVP est équivalent sur ces deux familles de réseaux. Nous montrons également une réduction pire-cas vers cas-moyens pour les réseaux uSVP en rang 2. Ensuite nous avons démontré que résoudre SVP sur un idéal premier de petite norme n’était pas plus facile que de résoudre SVP sur n’importe quel idéal.
Cryptanalyse classique et quantique pour les réseaux euclidiens et le problème de la somme de sous-ensembles La cryptographie post-quantique est une branche de la cryptographie qui vise à concevoir des systèmes cryptographiques non quantiques (c'est-à-dire classiques), qui sont protégés contre un adversaire possédant un ordinateur quantique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de deux problèmes fondamentaux pour la cryptographie post-quantique : le problème du plus court vecteur (SVP) et le problème de la somme de sous-ensembles aléatoires. Le SVP demande de trouver le plus court vecteur non nul d'un réseaux euclidien donné. Il sert de jauge pour quantifier la sécurité de la cryptographie reposant sur les réseaux euclidiens, qui est considérée comme prometteuse pour l'ère post-quantique. Les principales approches pour résoudre le SVP sont les algorithmes de tamisage, qui utilisent un temps et un espace exponentiels, et les algorithmes d'énumération, qui utilisent un temps superexponentiel et un espace polynomial. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un compromis temps-mémoire prouvable qui interpole approximativement entre les garanties de ressources des algorithmes de tamisage et celles des algorithmes d'énumération. Nous montrons ensuite l'algorithme quantique prouvable le plus rapide connu qui résout le SVP en temps 2^(0.9535n) et en mémoire classique 2^(0.5n+o(n)) avec seulement un nombre poly(n) de qubits. Nous montrons également le meilleur algorithme prouvable classique connu dont la complexité en mémoire est de 2^(0.5n+o(n)). Quant aux algorithmes d'énumération, on pensait auparavant qu'ils pouvaient bénéficier d'une accélération quadratique quantique grâce à l'algorithme de Grover. Nous montrons que cette accélération quadratique peut effectivement être obtenue pour l'algorithme d'énumération de base et ses variantes d'élagage cylindrique et discret, mais avec des algorithmes quantiques plus sophistiqués tels que la marche quantique sur les arbres. Notre accélération quantique s'applique également à l'élagage extrême où l'on répète le processus d'énumération sur plusieurs bases réduites. Le problème de la somme de sous-ensembles aléatoires sous-tend également certains schémas cryptographiques visant à la sécurité post-quantique, bien qu'il soit principalement de nature académique. Dans un contexte de cryptanalyse, il sert souvent d'outil car de nombreux problèmes sur lesquels se fonde la cryptographie moderne peuvent être exprimés comme des variantes (vectorielles) du problème de la somme de sous-ensembles. Plus récemment, il a également été démontré qu'il peut être utilisé comme élément de base dans certains algorithmes de décalage caché quantique, qui ont des applications dans la cryptanalyse quantique de schémas symétriques et de schémas reposant sur les isogénies. Dans cette thèse, nous présentons de nouveaux algorithmes classiques et quantiques pour la résolution du problème de la somme de sous-ensembles aléatoires. Nous obtenons d'abord l'algorithme classique le plus rapide connu en temps Õ(2^0.283n)). Ensuite, nous améliorons l'état de l'art des algorithmes quantiques pour ce problème dans plusieurs directions. Nous concevons un algorithme avec un temps asymptotique Õ(2^0.236n), avec l'avantage d'utiliser une mémoire classique avec accès aléatoire quantique. Les algorithmes connus précédemment utilisaient des marches quantique, et nécessitaient une mémoire quantique avec accès aléatoire quantique.Nous proposons également des marches quantiques plus rapides pour ce problème en temps Õ(2^0.216n). Ce temps dépend d'une heuristique concernant le temps de mise à jour dans les marches quantiques. Les algorithmes précédents pour ce problème dépendaient eux aussi de cette heuristique. Nous montrons comment surmonter partiellement cette heuristique, et nous obtenons un algorithme quantique de temps Õ(2^0.218n) ne nécessitant que les heuristiques standard du problème de la somme de sous-ensembles aléatoires.
La cryptographie post-quantique est une branche de la cryptographie qui vise à concevoir des systèmes cryptographiques non quantiques (c'est-à-dire classiques), qui sont protégés contre un adversaire possédant un ordinateur quantique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de deux problèmes fondamentaux pour la cryptographie post-quantique : le problème du plus court vecteur (SVP) et le problème de la somme de sous-ensembles aléatoires. Le SVP demande de trouver le plus court vecteur non nul d'un réseaux euclidien donné. Il sert de jauge pour quantifier la sécurité de la cryptographie reposant sur les réseaux euclidiens, qui est considérée comme prometteuse pour l'ère post-quantique. Les principales approches pour résoudre le SVP sont les algorithmes de tamisage, qui utilisent un temps et un espace exponentiels, et les algorithmes d'énumération, qui utilisent un temps superexponentiel et un espace polynomial. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un compromis temps-mémoire prouvable qui interpole approximativement entre les garanties de ressources des algorithmes de tamisage et celles des algorithmes d'énumération. Nous montrons ensuite l'algorithme quantique prouvable le plus rapide connu qui résout le SVP en temps 2^(0.9535n) et en mémoire classique 2^(0.5n+o(n)) avec seulement un nombre poly(n) de qubits. Nous montrons également le meilleur algorithme prouvable classique connu dont la complexité en mémoire est de 2^(0.5n+o(n)). Quant aux algorithmes d'énumération, on pensait auparavant qu'ils pouvaient bénéficier d'une accélération quadratique quantique grâce à l'algorithme de Grover. Nous montrons que cette accélération quadratique peut effectivement être obtenue pour l'algorithme d'énumération de base et ses variantes d'élagage cylindrique et discret, mais avec des algorithmes quantiques plus sophistiqués tels que la marche quantique sur les arbres. Notre accélération quantique s'applique également à l'élagage extrême où l'on répète le processus d'énumération sur plusieurs bases réduites. Le problème de la somme de sous-ensembles aléatoires sous-tend également certains schémas cryptographiques visant à la sécurité post-quantique, bien qu'il soit principalement de nature académique. Dans un contexte de cryptanalyse, il sert souvent d'outil car de nombreux problèmes sur lesquels se fonde la cryptographie moderne peuvent être exprimés comme des variantes (vectorielles) du problème de la somme de sous-ensembles. Plus récemment, il a également été démontré qu'il peut être utilisé comme élément de base dans certains algorithmes de décalage caché quantique, qui ont des applications dans la cryptanalyse quantique de schémas symétriques et de schémas reposant sur les isogénies. Dans cette thèse, nous présentons de nouveaux algorithmes classiques et quantiques pour la résolution du problème de la somme de sous-ensembles aléatoires. Nous obtenons d'abord l'algorithme classique le plus rapide connu en temps Õ(2^0.283n)). Ensuite, nous améliorons l'état de l'art des algorithmes quantiques pour ce problème dans plusieurs directions. Nous concevons un algorithme avec un temps asymptotique Õ(2^0.236n), avec l'avantage d'utiliser une mémoire classique avec accès aléatoire quantique. Les algorithmes connus précédemment utilisaient des marches quantique, et nécessitaient une mémoire quantique avec accès aléatoire quantique.Nous proposons également des marches quantiques plus rapides pour ce problème en temps Õ(2^0.216n). Ce temps dépend d'une heuristique concernant le temps de mise à jour dans les marches quantiques. Les algorithmes précédents pour ce problème dépendaient eux aussi de cette heuristique. Nous montrons comment surmonter partiellement cette heuristique, et nous obtenons un algorithme quantique de temps Õ(2^0.218n) ne nécessitant que les heuristiques standard du problème de la somme de sous-ensembles aléatoires.
Contributions aux fondements de complexité de la cryptographie sur réseaux La cryptographie sur les réseaux est l’une des approches les plus compétitives pour protéger la confidentialité, dans les applications actuelles et l’ère post-quantique. Le problème central qui sert de fondement de complexité de la cryptographie sur réseaux est Learning with Errors (LWE). Il consiste à résoudre un système d’équations bruité, linéaire et surdéterminé. Ce problème est au moins aussi difficile que les problèmes standards portant sur les réseaux, tels que le décodage à distance bornée (BDD pour Bounded Distance Decoding) et le problème du vecteur le plus court unique (uSVP pour unique Shortest Vector Problem). Tous ces problèmes sont conjecturés difficiles à résoudre, même avec un ordinateur quantique de grande échelle. En particulier, le meilleur algorithme connu pour résoudre ces problèmes, BKZ, est très coûteux. Dans cette thèse, nous étudions les relations de difficulté entre BDD et uSVP, la difficulté quantique de LWE et les performances pratiques de l’algorithme BKZ. Tout d’abord, nous donnons une relation de difficulté plus étroite entre BDD et uSVP. Plus précisément, nous améliorons la réduction de BDD à uSVP d’un facteur √2, comparément à celle de Lyubashevsky et Micciancio. Ensuite, Nous apportons un nouvel élément à la conjecture que LWE est quantiquement difficile. Concrètement, nous considérons une version relâchée de la version quantique du problème du coset dièdral et montrons une équivalence computationnelle entre LWE et ce problème. Enfin, nous proposons un nouveau simulateur pour BKZ. Dans ce dernier travail, nous proposons le premier simulateur probabiliste pour BKZ, qui permet de prévoir le comportement pratique de BKZ très précisément.
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.
Cryptographie classique et post-quantiqueCes nouvelles solutions doivent s'appuyer sur des problèmes mathématiques qui ne sont pas vulnérables à l'avantage qu'ont les ordinateurs quantiques sur les primitives cryptographiques se basant sur des problèmes mathématiques dits "standards".Ces outils mathématiques "standards" se composent notamment du cryptosystème RSA [RSA78] (du nom de ses auteurs Rivest, Shamir et Adleman) qui repose sur le problème de la factorisation, ou du cryptosystème El-Gamal reposant sur le problème du logarithme discret.Dans le cas des cryptosystèmes de type RSA, la clé secrète est composée entre autre de deux nombres premiers p et q dont leur produit N = p×q fait partie de la clé publique.Un attaquant qui arriverait donc à factoriser le nombre N pour retrouver les deux nombres premiers p et q, pourrait attaquer la sécurité des schémas de type RSA.Concernant les cryptosystèmes basés sur le logarithme discret, on considère un groupe G bien choisi, le plus souvent d'ordre premier p.On va ensuite choisir aléatoirement un entier a comme partie de la clé secrète et son pendant publique qui lui est associé est g a avec g un élément choisi aléatoirement dans le groupe G. On définit alors le problème du logarithme discret, demandant de retrouver l'entier a à partie de l'élément g a appartenant au groupe G.Ces deux types de problèmes ont été à l'origine de nombreux schémas cryptographiques sûrs et proposant une efficacité très attractive mais, comme énoncé précédemment, ils seront vulnérables dans une ère post-quantique.En effet, conserver leur sécurité impli- ContributionsDans la suite de cette introduction, je vais détailler les contributions que j'ai pu apportées durant mes 3 années de thèses, qui concernent principalement la conception de schémas cryptographiques respectueux de la vie privée, ainsi que l'adaptation en cas Signatures de groupesMa première contribution concerne la construction d'une signature de groupe sur les réseaux euclidiens, à laquelle nous ajoutons quelques propriétés attractives.Par définition, une signature de groupe est un schéma permettant à un groupe d'utilisateurs de signer au nom de ce même groupe, tout en restant anonyme parmi ses membres.Elles fournissent une caractéristique supplémentaire qui est de permettre "l'ouverture" d'une signature pour en retrouver le membre du groupe qui en est à l'origine.Ces schémas ont de nombreuses applications dans la vie courante.Prenons par exemple un cas où une personne doit prouver qu'elle a un certain âge (par exemple moins de 25 ans pour pouvoir prétendre à une réduction), il suffirait qu'elle produise sa carte d'identité qui contient sa date de naissance et donc son âge.Cependant en produisant ainsi sa carte d'identité, elle fournit par la même occasion son nom, son adresse..., alors que seul le fait qu'elle appartient au groupe des moins de 25 ans est nécessaire.Les signatures de groupes permettent donc d'éviter de tels désagréments.Il existe à ce jour de nombreux schémas de signature de groupe, mais les plus efficaces d'entre eux s'appuient sur des hypothèses qui ne résisteraient pas à un ordinateur quantique, tels que le logarithme discret défini précédemment.C'est pourquoi depuis une dizaine d'années, un grand nombre de constructions basées sur les réseaux euclidiens ont été conçues ([Gol+10; Lag+13; Lan+14; Lib+16b; Lin+17]...).Ces constructions doivent cependant se plier à l'inefficacité, sur les réseaux, des preuves de connaissance à divulgation nulle de connaissance nécessaires pour de telles constructions dans le modèle habituel de Bellare et al [BMW03].Cependant en 2019, un nouveau schéma publié à Eurocrypt par Kastumata et Yamada [KY19] s'écarte de ce modèle habituel.Leur construction s'appuie sur des primitives plus récentes telles que les signatures basées sur les attributs pour court-circuiter les problèmes d'inefficacité, en plus de reposer sur un modèle de sécurité plus commun.À partir de cette nouvelle construction nous proposons un schéma de signature de groupe basé sur les réseaux qui bénéficie des mêmes avantages que le schéma de [KY19] et nous ajoutons en plus une nouvelle propriété appelée forward security.Celle-ci permet de diviser le temps en plusieurs périodes, de sorte que les clés secrètes de tous les membres du groupe sont mises à jour à chaque nouvelle période de temps sans possibilité de récupérer Signature aveugleLes signatures aveugles ont été introduites en 1982 par Chaum [Cha82] pour le cas d'usage précis de la monnaie électronique.L'idée d'une signature aveugle est la suivante: un utilisateur veut générer une signature sur un message de son choix, cependant il ne possède pas la clé secrète lui permettant de générer une telle signature.Pour palier ce problème, il a la possibilité d'interagir avec une autorité qui possède cette clé secrète et qui est alors vu comme un signeur.Cependant l'utilisateur requiert que la signature qu'il va sortir à la fin de l'interaction avec le signeur ne puisse pas être tracée par ce dernier.Pour en revenir au cas d'usage de la monnaie électronique, ce type de schéma permet donc à un utilisateur de faire certifier de la monnaie électronique à une autorité (une banque par exemple), sans que celle-ci puisse retrouver l'identité de l'utilisateur lorsque celui-ci la dépense.Concernant les constructions existantes, elles sont nombreuses et très efficaces sur la cryptographie "classique".Nous pouvons notamment citer le schéma Blind RSA [Fer93] qui se base sur le cryptosystème RSA, tandis que l'histoire des signatures aveugles sur les réseaux euclidiens est bien plus complexes.Tout d'abord il n'existe qu'un seul modèle de construction basé sur un schéma d'identification de Lyubashevsky [Lyu08].Ce modèle requiert 3 échanges entre l'utilisateur et le signeur, comme d'autres schémas tel que Okamoto-Schnorr [Oka92], à contrario d'autres constructions comme blind RSA qui n'en demandent que 2.De plus toutes les constructions sur les réseaux euclidiens ont vu leur preuve de sécurité invalidées par un papier de Hauck et al [Hau+20] publié à Crypto 2020.En effet pour prouver qu'un utilisateur malhonnête ne peut pas générer plus de signatures qu'autorisées, une propriété appelée one-more unforgeability est nécessaire.Une modèle de preuve a été proposé par Pointcheval et Stern [PS00] pour des constructions basées sur des groupes finis, dans lesquels un élément secret était choisi aléatoirement dans tout le groupe.La différence sur les réseaux euclidiens vient du fait qu'une clé secrète est habituellement un petit élément de l'ensemble considéré, ce qui interdit toute adaptation directe sur les réseaux euclidiens de la preuve de Pointcheval et Stern.Dans notre construction, nous revenons sur cette preuve et sur la solution apportée par Hauck et al. [Hau+20] qui souffre d'un manque d'efficacité.Concernant notre construction, notre sécurité repose sur une conjecture qui n'a pas été prouvée.Tout d'abord, notre solution gagne en efficacité en utilisant l'avantage de distributions gaussiennes sur des distributions uniformes.De plus, nous utilisons des outils tels que les trappes sur les réseaux euclidiens pour effacer toute trace d'abandon durant le protocole de signature aveugle, notre construction étant la seule n'ayant pas recours aux abandons, qui est un impact négatif sur l'efficacité.Finalement, nous proposons une variante appelée signature partiellement aveugle, qui permet à l'utilisateur et au signeur d'inclure une information publique, sur laquelle ils se sont mis d'accord en amont de la génération de la signature.Notre construction n'entraîne quasiment aucun coût supplémentaire par rapport à la signature aveugle.Ce travail est décrit dans le chapitre 5 de cette thèse.
La cryptographie sur les réseaux est l’une des approches les plus compétitives pour protéger la confidentialité, dans les applications actuelles et l’ère post-quantique. Le problème central qui sert de fondement de complexité de la cryptographie sur réseaux est Learning with Errors (LWE). Il consiste à résoudre un système d’équations bruité, linéaire et surdéterminé. Ce problème est au moins aussi difficile que les problèmes standards portant sur les réseaux, tels que le décodage à distance bornée (BDD pour Bounded Distance Decoding) et le problème du vecteur le plus court unique (uSVP pour unique Shortest Vector Problem). Tous ces problèmes sont conjecturés difficiles à résoudre, même avec un ordinateur quantique de grande échelle. En particulier, le meilleur algorithme connu pour résoudre ces problèmes, BKZ, est très coûteux. Dans cette thèse, nous étudions les relations de difficulté entre BDD et uSVP, la difficulté quantique de LWE et les performances pratiques de l’algorithme BKZ. Tout d’abord, nous donnons une relation de difficulté plus étroite entre BDD et uSVP. Plus précisément, nous améliorons la réduction de BDD à uSVP d’un facteur √2, comparément à celle de Lyubashevsky et Micciancio. Ensuite, Nous apportons un nouvel élément à la conjecture que LWE est quantiquement difficile. Concrètement, nous considérons une version relâchée de la version quantique du problème du coset dièdral et montrons une équivalence computationnelle entre LWE et ce problème. Enfin, nous proposons un nouveau simulateur pour BKZ. Dans ce dernier travail, nous proposons le premier simulateur probabiliste pour BKZ, qui permet de prévoir le comportement pratique de BKZ très précisément.