Sécurité du matériel quantique avec des applications à court terme Les primitives de sécurité matérielle sont des composants et des mécanismes fondamentaux basés sur le matériel et utilisés pour améliorer la sécurité des systèmes informatiques modernes en général. Ces primitives fournissent des éléments de base pour la mise en œuvre des fonctions de sécurité et la protection contre les menaces afin de garantir l'intégrité, la confidentialité et la disponibilité des informations et des ressources. Avec le développement à grande vitesse de l'informatique quantique et du traitement de l'information, la construction de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques présente un énorme potentiel. Parallèlement, il devient de plus en plus important de traiter les vulnérabilités potentielles du point de vue du matériel pour garantir les propriétés de sécurité des applications quantiques. La thèse se concentre sur les primitives de sécurité matérielles pratiques en analogie quantique, qui se réfèrent à la conception et à la mise en œuvre de fonctions de sécurité matérielles avec des systèmes mécaniques quantiques contre diverses menaces et attaques. Notre recherche s'articule autour de deux questions: Comment les systèmes mécaniques quantiques peuvent-ils améliorer la sécurité des primitives de sécurité matérielle existantes? Et comment les primitives de sécurité matérielle peuvent-elles protéger les systèmes d'informatique quantique? Nous apportons les réponses en étudiant deux types de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques, de la construction à l'application: Physical Unclonable Function (PUF) et Trusted Execution Environments (TEE). Nous proposons tout d'abord des constructions hybrides classiques-quantiques de PUF appelées HPUF et HLPUF. Alors que les PUF exploitent les propriétés physiques propres à chaque dispositif matériel individuel pour générer des clés ou des identifiants spécifiques, nos constructions intègrent des technologies de traitement quantique de l'information et mettent en œuvre des protocoles d'authentification et de communication sécurisés avec des clés quantiques réutilisables. Deuxièmement, inspirés par les TEE qui obtiennent des propriétés d'isolation par un mécanisme matériel, nous proposons la construction de QEnclave avec des systèmes mécaniques quantiques. L'idée est de fournir des environnements d'exécution isolés et sécurisés au sein d'un système informatique quantique plus large en utilisant des enclaves/processeurs sécurisés pour protéger les opérations sensibles d'un accès non autorisé ou d'une altération avec des hypothèses de confiance minimales. Il en résulte une construction de QEnclave assez simple de manière opérationnelle, avec l'exécution de rotations sur des qubits uniques. Nous montrons que QEnclave permet un calcul quantique aveugle délégué sur le serveur en nuage avec un utilisateur classique distant dans le cadre des définitions de sécurité.
Sécurité du matériel quantique avec des applications à court terme Les primitives de sécurité matérielle sont des composants et des mécanismes fondamentaux basés sur le matériel et utilisés pour améliorer la sécurité des systèmes informatiques modernes en général. Ces primitives fournissent des éléments de base pour la mise en œuvre des fonctions de sécurité et la protection contre les menaces afin de garantir l'intégrité, la confidentialité et la disponibilité des informations et des ressources. Avec le développement à grande vitesse de l'informatique quantique et du traitement de l'information, la construction de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques présente un énorme potentiel. Parallèlement, il devient de plus en plus important de traiter les vulnérabilités potentielles du point de vue du matériel pour garantir les propriétés de sécurité des applications quantiques. La thèse se concentre sur les primitives de sécurité matérielles pratiques en analogie quantique, qui se réfèrent à la conception et à la mise en œuvre de fonctions de sécurité matérielles avec des systèmes mécaniques quantiques contre diverses menaces et attaques. Notre recherche s'articule autour de deux questions: Comment les systèmes mécaniques quantiques peuvent-ils améliorer la sécurité des primitives de sécurité matérielle existantes? Et comment les primitives de sécurité matérielle peuvent-elles protéger les systèmes d'informatique quantique? Nous apportons les réponses en étudiant deux types de primitives de sécurité matérielle avec des systèmes mécaniques quantiques, de la construction à l'application: Physical Unclonable Function (PUF) et Trusted Execution Environments (TEE). Nous proposons tout d'abord des constructions hybrides classiques-quantiques de PUF appelées HPUF et HLPUF. Alors que les PUF exploitent les propriétés physiques propres à chaque dispositif matériel individuel pour générer des clés ou des identifiants spécifiques, nos constructions intègrent des technologies de traitement quantique de l'information et mettent en œuvre des protocoles d'authentification et de communication sécurisés avec des clés quantiques réutilisables. Deuxièmement, inspirés par les TEE qui obtiennent des propriétés d'isolation par un mécanisme matériel, nous proposons la construction de QEnclave avec des systèmes mécaniques quantiques. L'idée est de fournir des environnements d'exécution isolés et sécurisés au sein d'un système informatique quantique plus large en utilisant des enclaves/processeurs sécurisés pour protéger les opérations sensibles d'un accès non autorisé ou d'une altération avec des hypothèses de confiance minimales. Il en résulte une construction de QEnclave assez simple de manière opérationnelle, avec l'exécution de rotations sur des qubits uniques. Nous montrons que QEnclave permet un calcul quantique aveugle délégué sur le serveur en nuage avec un utilisateur classique distant dans le cadre des définitions de sécurité.
La cryptographie moderne a un ennemi de taille à l'horizon : la montée inévitable des ordinateurs quantiques. Cependant, cette même puissance de calcul permettrait également de trouver des solutions sur des tâches cryptographiques qui sont tout simplement impossibles à réaliser avec la technologie actuelle. Dans cette thèse, nous mettons les pieds dans un univers où le quantique est omniprésent en y présentant notamment deux principales contributions. Nous mettons en avant à la fois des nouveaux modèles et de nouvelles analyses de sécurité pour deux primitives cryptographiques : les chiffrements et les preuves à divulgation nulle de connaissance non interactives. Les définitions usuelles de sécurité de ces primitives requièrent intrinsèquement la capacité d'enregistrer et de comparer des chaînes classiques. Cependant, les tâches d'enregistrement et de comparaison sont extrêmement difficiles dans le monde quantique en raison du principe d'incertitude. Nous proposons deux alternatives afin de surmonter cette barrière. De plus, nos notions de sécurité sont les premières à prendre pleinement en compte les attaques quantiques dans lesquelles les attaquants peuvent interagir avec les utilisateurs finaux sur des canaux quantiques. D'autre part, nous montrons que la disponibilité des ordinateurs quantiques se révèle être également à l'avantage des cryptographes, même lorsque les utilisateurs finaux n'utilisent que des communications classiques. En particulier, nous présentons un protocole interactif entre une Alice classique et un Bob quantique. Ce dispositif permet à Alice d'envoyer un état quantique caché non clonable à Bob par des canaux classiques. En outre, cet état quantique non clonable établit une forte propriété dite de monogamie de l'intrication, qui décrit les limites de la force des corrélations multipartites quantiques. Enfin, nous appliquons notre protocole et nous donnons les premiers schémas semi-quantiques de protection contre la copie.
Sécurité et efficacité du calcul quantique délégué L'information quantique promet de révolutionner notre monde, de la façon dont nous communiquons à la façon dont nous calculons, en tirant sa puissance directement des lois qui régissent le comportement de la nature à des échelles extrêmement petites - la mécanique quantique. Dans un avenir proche, le matériel des ordinateurs quantiques éventuellement utiles devrait rester très coûteux et donc hors de portée de la plupart des utilisateurs finaux intéressés. Dans un tel monde, il est important de fournir des garanties de sécurité aux clients qui souhaitent donner des instructions à distance à des serveurs quantiques, en gardant leurs données privées (aveuglement) et en vérifiant l'exactitude des résultats (vérification). Cette fonctionnalité de l'informatique quantique déléguée sécurisée a reçu beaucoup d'attention au cours des dernières années, mais il reste encore beaucoup de questions ouvertes. Dans cette thèse, nous explorons l'(im)possibilité de sécuriser les calculs quantiques délégués dans différents contextes : quel est le matériel auquel le client doit avoir un accès sécurisé, quel est le matériel minimum requis par le serveur, et comment les parties doivent-elles communiquer ? Ce travail est motivé par la volonté de faire tomber les barrières qui nous empêchent de sécuriser et de vérifier les calculs quantiques dans la pratique, en identifiant et en supprimant les frais généraux inutiles. Nous commençons par nous interroger sur la nécessité d'une communication quantique entre le client et le serveur, et nous constatons que, si dans certaines situations la communication classique est tout à fait suffisante, le plus souvent la sécurité des protocoles de délégation repose de manière irremplaçable sur le caractère quantique de l'information échangée entre les parties. Cela prouve que la communication quantique est en effet un atout essentiel dans notre boîte à outils cryptographique. Nous nous concentrons ensuite sur le serveur qui souffrait de frais généraux irréalisables dans les tentatives précédentes de vérification quantique. Nous montrons que pour une large classe de calculs quantiques intéressants, il n'y a pas de besoin fondamental de réserver du matériel supplémentaire pour des techniques cryptographiques. En effet, nous donnons des constructions concrètes de protocoles sécurisés qui atteignent la cécité et la vérification sur du matériel de la même taille que celui qui serait nécessaire pour effectuer le calcul original non sécurisé, et nous fournissons un moyen systématique d'optimiser leur efficacité dans des contextes personnalisés. Notre voyage nous amène ensuite au problème du calcul multipartite sécurisé quantique, une généralisation de la fonctionnalité précédente à plus de deux parties participantes qui se méfient mutuellement. Nous explorons comment les améliorations que nous avons obtenues dans le cadre bipartite peuvent être transférées au cas multipartite, et nous terminons par la présentation de deux expériences réelles qui démontrent l'impact pratique et la faisabilité dans le monde réel des résultats obtenus au cours de cette thèse.
La cryptographie moderne a un ennemi de taille à l'horizon : la montée inévitable des ordinateurs quantiques. Cependant, cette même puissance de calcul permettrait également de trouver des solutions sur des tâches cryptographiques qui sont tout simplement impossibles à réaliser avec la technologie actuelle. Dans cette thèse, nous mettons les pieds dans un univers où le quantique est omniprésent en y présentant notamment deux principales contributions. Nous mettons en avant à la fois des nouveaux modèles et de nouvelles analyses de sécurité pour deux primitives cryptographiques : les chiffrements et les preuves à divulgation nulle de connaissance non interactives. Les définitions usuelles de sécurité de ces primitives requièrent intrinsèquement la capacité d'enregistrer et de comparer des chaînes classiques. Cependant, les tâches d'enregistrement et de comparaison sont extrêmement difficiles dans le monde quantique en raison du principe d'incertitude. Nous proposons deux alternatives afin de surmonter cette barrière. De plus, nos notions de sécurité sont les premières à prendre pleinement en compte les attaques quantiques dans lesquelles les attaquants peuvent interagir avec les utilisateurs finaux sur des canaux quantiques. D'autre part, nous montrons que la disponibilité des ordinateurs quantiques se révèle être également à l'avantage des cryptographes, même lorsque les utilisateurs finaux n'utilisent que des communications classiques. En particulier, nous présentons un protocole interactif entre une Alice classique et un Bob quantique. Ce dispositif permet à Alice d'envoyer un état quantique caché non clonable à Bob par des canaux classiques. En outre, cet état quantique non clonable établit une forte propriété dite de monogamie de l'intrication, qui décrit les limites de la force des corrélations multipartites quantiques. Enfin, nous appliquons notre protocole et nous donnons les premiers schémas semi-quantiques de protection contre la copie.
Protocoles de chiffrement quantiques de plusieurs parties en environnements réalistes Cette thèse se situe à l’interface entre la théorie quantique et les expériences, en mettant l’accent sur les protocoles pratiques qui peuvent être mises en place en utilisant la technologie présente. Notre objectif est de contribuer à la construction d’un cadre général pour la conception et la mise en oeuvre de schémas de chiffrement quantiques qui permettront d’améliorer la sécurité des futurs réseaux de télécommunication. En outre, cette thèse veut avancer la recherche pertinente sur la physique quantique et l’informatique, en améliorant notre compréhension du phénomène d’intrication. Les corrélations des états intriqués ne peuvent pas être reproduites par des moyens classiques, ce qui permet d’effectuer des tâches (par exemple la téléportation et le codage super-dense) qui sont autrement impossibles. Il est donc d’une importance majeure d’être capables de vérifier si un état quantique est intriqué. Dans cette thèse, nous montrons comment vérifier efficacement si une source physique peut créer des états intriqués multipartites et les partager avec de nombreuses parties, dont certains sont malhonnêtes et collaborent avec la source. Ce protocole pourrait s’avérer essentiel pour tout type de calcul quantique entre les parties méfiantes et pourrait aussi faciliter la délégation sécurisée des tâches de calcul aux serveurs quantiques puissants qui ne sont pas fiables. Finalement, nous étudions le lien entre la théorie des jeux et la non-localité quantique, dans le cadre de jeux bayésiens. Nous examinons comment l’intrication partagé aide les joueurs gagner un jeu avec une probabilité plus élevée que les ressources classiques pourraient atteindre.
L'information quantique promet de révolutionner notre monde, de la façon dont nous communiquons à la façon dont nous calculons, en tirant sa puissance directement des lois qui régissent le comportement de la nature à des échelles extrêmement petites - la mécanique quantique. Dans un avenir proche, le matériel des ordinateurs quantiques éventuellement utiles devrait rester très coûteux et donc hors de portée de la plupart des utilisateurs finaux intéressés. Dans un tel monde, il est important de fournir des garanties de sécurité aux clients qui souhaitent donner des instructions à distance à des serveurs quantiques, en gardant leurs données privées (aveuglement) et en vérifiant l'exactitude des résultats (vérification). Cette fonctionnalité de l'informatique quantique déléguée sécurisée a reçu beaucoup d'attention au cours des dernières années, mais il reste encore beaucoup de questions ouvertes. Dans cette thèse, nous explorons l'(im)possibilité de sécuriser les calculs quantiques délégués dans différents contextes : quel est le matériel auquel le client doit avoir un accès sécurisé, quel est le matériel minimum requis par le serveur, et comment les parties doivent-elles communiquer ? Ce travail est motivé par la volonté de faire tomber les barrières qui nous empêchent de sécuriser et de vérifier les calculs quantiques dans la pratique, en identifiant et en supprimant les frais généraux inutiles. Nous commençons par nous interroger sur la nécessité d'une communication quantique entre le client et le serveur, et nous constatons que, si dans certaines situations la communication classique est tout à fait suffisante, le plus souvent la sécurité des protocoles de délégation repose de manière irremplaçable sur le caractère quantique de l'information échangée entre les parties. Cela prouve que la communication quantique est en effet un atout essentiel dans notre boîte à outils cryptographique. Nous nous concentrons ensuite sur le serveur qui souffrait de frais généraux irréalisables dans les tentatives précédentes de vérification quantique. Nous montrons que pour une large classe de calculs quantiques intéressants, il n'y a pas de besoin fondamental de réserver du matériel supplémentaire pour des techniques cryptographiques. En effet, nous donnons des constructions concrètes de protocoles sécurisés qui atteignent la cécité et la vérification sur du matériel de la même taille que celui qui serait nécessaire pour effectuer le calcul original non sécurisé, et nous fournissons un moyen systématique d'optimiser leur efficacité dans des contextes personnalisés. Notre voyage nous amène ensuite au problème du calcul multipartite sécurisé quantique, une généralisation de la fonctionnalité précédente à plus de deux parties participantes qui se méfient mutuellement. Nous explorons comment les améliorations que nous avons obtenues dans le cadre bipartite peuvent être transférées au cas multipartite, et nous terminons par la présentation de deux expériences réelles qui démontrent l'impact pratique et la faisabilité dans le monde réel des résultats obtenus au cours de cette thèse.
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.