Cette thèse explore les défis de la cryptographie dans les infrastructures en tant que service (IaaS) à l'aube de l'informatique quantique. Elle examine les vulnérabilités des schémas cryptographiques classiques face aux menaces quantiques et propose des solutions hybrides intégrant des algorithmes post-quantiques. L'étude aborde également les impacts économiques, juridiques et organisationnels de la transition vers ces nouvelles solutions de sécurité.
Cette thèse explore les défis de la cryptographie dans les infrastructures en tant que service (IaaS) à l'aube de l'informatique quantique. Elle examine les vulnérabilités des schémas cryptographiques classiques face aux menaces quantiques et propose des solutions hybrides intégrant des algorithmes post-quantiques. L'étude aborde également les impacts économiques, juridiques et organisationnels de la transition vers ces nouvelles solutions de sécurité.
Les avancées technologiques en matière d'informatique quantique rendent la possibilité d'avoir un ordinateur quantique de plus en plus forte. Il est donc important d'étudier la cryptographie en prenant cette menace en compte, domaine appelé cryptographie post-quantique. De nombreux schéma sont proposés dans ce contexte mais la sécurité quantique des hypothèses calculatoires sous jacentes n'est que peu étudiée. Dans cette thèse j'étudie deux problèmes importants dans ce contexte: le problème du sac-à-dos et le problème de décodage de syndrome. Pour ces deux problèmes, je montre des améliorations quantiques en utilisant des marches quantiques et je présente l'implication de ces résultats pour la cryptographie post-quantique.
La cryptographie moderne est fondée sur la notion de sécurité computationnelle. Les niveaux de sécurité attendus des cryptosystèmes sont exprimés en nombre d'opérations ; une attaque est un algorithme d'une complexité inférieure à la borne attendue. Mais ces niveaux de sécurité doivent aujourd'hui prendre en compte une nouvelle notion d'algorithme : le paradigme du calcul quantique. Dans le même temps,la délégation grandissante du chiffrement à des puces RFID, objets connectés ou matériels embarqués pose de nouvelles contraintes de coût.Dans cette thèse, nous étudions la sécurité des cryptosystèmes à clé secrète face à un adversaire quantique.Nous introduisons tout d'abord de nouveaux algorithmes quantiques pour les problèmes génériques de k-listes (k-XOR ou k-SUM), construits en composant des procédures de recherche exhaustive.Nous présentons ensuite des résultats de cryptanalyse dédiée, en commençant par un nouvel outil de cryptanalyse quantique, l'algorithme de Simon hors-ligne. Nous décrivons de nouvelles attaques contre les algorithmes Spook et Gimli et nous effectuons la première étude de sécurité quantique du chiffrement AES. Dans un troisième temps, nous spécifions Saturnin, une famille de cryptosystèmes à bas coût orientés vers la sécurité post-quantique. La structure de Saturnin est proche de celle de l'AES et sa sécurité en tire largement parti.
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.
La cryptographie post-quantique a gagné en importance ces dernières années, motivée par la menace que les ordinateurs quantiques font peser sur les systèmes cryptographiques classiques . Bien que le NIST ait standardisé plusieurs schémas de chiffrement à clé publique et de signature numérique post-quantiques, il subsiste un fossé important dans notre compréhension des primitives cryptographiques avancées dans ce contexte. Parmi celles-ci, les signatures à seuil se distinguent comme une primitive particulièrement importante ; elles permettent à un groupe de participants de produire conjointement une signature valide, offrant ainsi une résilience face aux défaillances et au compromis partiel. Alors que les schémas de signature à seuil classiques ont atteint un stade de maturité et sont déployés, le développement de schémas de signature à seuil post-quantiques pratiques demeure un défi ouvert. Les constructions proposées manquent souvent de robustesse face aux participants malveillants, d'une génération de clé distribuée efficace, et de compatibilité avec les standards émergents. Cette thèse fournit une boîte à outils complète pour la conception et le déploiement de signatures à seuil pratiques basées sur les réseaux euclidiens. Premièrement, nous établissons les fondations de la robustesse, en introduisant des techniques de génération de clé distribuée et de signature qui garantissent la création d'une signature valide même en présence de participants malveillants. Ensuite, nous nous tournons vers un protocole radicalement plus efficace, permettant l'identification des abandons (identifiable aborts), une propriété qui permet de détecter les comportements malveillants plutôt que de les prévenir. Finalement, nous présentons de nouvelles idées pour répondre au défi de compatibilité avec les standards, en présentant la première version à seuil pratique de ML-DSA.
L'émergence des machines quantiques crée des défis et des opportunités pour la cryptographie. En particulier, les preuves de sécurité doivent être révisées en raison des capacités quantiques des adversaires. Cette thèse propose deux contributions à cet égard : un résultat positif et un résultat négatif. La transformation de Fiat-Shamir avec des rejets est l’un des principaux paradigmes pour concevoir des schémas de signature post-quantiques. Une partie de cette thèse consiste en une analyse détaillée de cette transformation dans le modèle de l’oracle aléatoire quantique. Tous les travaux précédents proposant une analyse de sécurité de cette transformation ont négligé des détails subtils, compromettant la correction des preuves. Par conséquent, notre preuve de sécurité est la première de son genre à être correcte. De plus, nous analysons le temps d'exécution et la correction des signatures obtenues à partir de cette transformation. Le problème learning with errors (LWE) a été largement utilisé pour construire des schémas cryptographiques sécurisés contre les adversaires quantiques. Une hypothèse liée à LWE stipule que la génération d'une instance LWE sans connaître son secret est difficile pour tous les algorithmes polynomiaux. On peut utiliser cette hypothèse pour prouver la sécurité de certains arguments de connaissance succints. Bien que cela semble être une tâche difficile pour les algorithmes classiques, nous présentons un algorithme quantique polynomial qui génère des instances LWE sans connaître le secret. Notre algorithme invalide ainsi les analyses de sécurité de ces arguments de connaissance succints dans le contexte quantique.
Avec la possibilité de l’existence d’un ordinateur quantique, les primitives cryptographiques basées sur la théorie des nombres risquent de devenir caduques. Il devient donc important de concevoir des schémas résistants à ce nouveau type de menaces. Les réseaux euclidiens et les codes correcteurs d’erreurs sont deux outils mathématiques permettant de construire des problèmes d’algèbre linéaire, pour lesquels il n’existe aujourd’hui pas d’algorithme quantique permettant d’accélérer significativement leur résolution. Dans cette thèse, nous proposons quatre primitives cryptographiques de ce type : deux schémas de signatures (dont une signature traçable) basés sur les réseaux, un protocole de délégation de signature utilisant du chiffrement complètement homomorphe, et une nouvelle approche permettant de construire des cryptosystèmes très efficaces en pratique basés sur les codes. Ces contributions sont accompagnées de paramètres concrets permettant de jauger les coûts calculatoires des primitives cryptographique dans un monde post-quantique.