京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22971号 / 理博第4648号 / 新制||理||1668(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科数学・数理解析専攻 / (主査)教授 入谷 寛, 教授 吉川 謙一, 教授 加藤 毅 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

La cryptographie est indispensable aux réseaux de communication modernes afin de garantir la sécurité et l'intégrité des données y transitant. Récemment, des cryptosystèmes efficaces, sûr et riches ont été construits à partir de variétés abéliennes définies sur des corps finis. Cette thèse contribue à plusieurs aspects algorithmiques de ces variétés touchant à leurs anneaux d'endomorphismes. Cette structure joue un rôle capital pour construire des variétés abéliennesmunies de bonnes propriétés, comme des couplages, et nous montrons qu'un plus grand nombre de telles variétés peut être construit qu'on ne pourrait croire. Nous considérons aussi le problème inverse qu'est celui du calcul de l'anneau d'endomorphismes d'une variété abélienne donnée. Les meilleures méthodes connues ne pouvaient précédemment résoudre ce problème qu'en temps exponentiel ; ici, nous concevons plusieurs algorithmes de complexité sous-exponentielle le résolvant dans le cas ordinaire. Pour les courbes elliptiques, nous bornons rigoureusement la complexité de nos algorithmes sous l'hypothèse de Riemann étendue et démontrons qu'ils sont extrêmement efficaces en pratique. Comme sous-routine, nous développons notamment un algorithme sans mémoire pour résoudre une généralisation du problème du sac à dos. Nous généralisons aussi notre méthode aux variétés abélienne de dimension supérieure. Concrètement, nous développons une bibliothèque qui permet d'évaluer des isogénies entre variétés abéliennes ; cet outil nous permet d'appliquer une généralisation de notre méthode à des exemples jusqu'alors incalculables. / Modern communications heavily rely on cryptography to ensure data integrity and privacy. Over the past two decades, very efficient, secure, and featureful cryptographic schemes have been built on top of abelian varieties defined overfinite fields. This thesis contributes to several computational aspects of ordinary abelian varieties related to their endomorphism ring structure. This structure plays a crucial role in the construction of abelian varieties with desirable properties, such as pairings, and we show that more such varieties can be constructed than expected. We also address the inverse problem, that of computing the endomorphism ring of a prescribed abelian variety. Prior state-of-the-art methods could only solve this problem in exponential time, and we design several algorithms of subexponential complexityfor solving it in the ordinary case. For elliptic curves, we rigorously bound the complexity of our algorithms assuming solely the extended Riemann hypothesis, and demonstrate that they are very effective in practice. As a subroutine, we design in particular a memory-less algorithm to solve a generalization of the subset sum problem. We also generalize our method to higher-dimensional abelian varieties. Practically speaking, we develop a library enabling the computation of isogenies between abelian varieties; this building block enables us to apply a generalization of our algorithm to cases that were previously not computable.

Dans cette thèse, on aborde plusieurs questions autour des modèles de Néron de variétés abéliennes sur un corps de valuation discrète. On dit qu’une variété abélienne a réduction scindée si la suite exacte définissant le groupe des composantes de la fibre spéciale est scindée. On donne un exemple de variété abélienne modérément ramifiée qui n’a pas réduction scindée. Pour les variétés jacobiennes,on montre que l’on obtient réduction scindée après toute extension modérément ramifiée de degré plus grand qu’une constante ne dépendant que de la dimension.On considère aussi le lien avec le conducteur de Swan. Ensuite, on s’intéresse aux groupes formels des variétés abéliennes. Pour les courbes elliptiques, on détermine le rayon du plus grand voisinage de 0 qui est isomorphe à un polydisque muni de sa structure de groupe usuelle. On s’intéresse aussi aux groupes des composantes de modèles lisses, de type fini et séparés du groupe additif ou multiplicatif ainsi qu’à leurs sous-groupes des points rationnels. Enfin, on montre que le conducteur efficace d’une courbe algébrique ne peut pas s’exprimer uniquement en fonction deson conducteur d’Artin. / In this thesis, we tackle several questions about Néron models of abelian varieties on a discrete valuation field. We say that an abelian variety has split reduction if the exact sequence defining the group of components of the special fiber is split. We give an example of a tamely ramified abelian variety which does not have split reduction. For Jacobian varieties, we show that one gets split reduction after any tamely ramified extension of degree greater than aconstant depending on the dimension only. We also consider the link with theSwan conductor. Then, we deal with formal groups of abelian varieties. For elliptic curves, we compute the radius of the largest neighbourhood of 0 which is isomorphic to a polydisk equipped with its usual group law. We also deal with groups of components of smooth and separated models of finite type of the additive or multiplicative group as well as their subgroups of rational points. Finally, we show that the efficient conductor of an algebraic curve cannot be expressed interms of its Artin conductor only.

Bei elliptischen Kurven E/K über einem Zahlkörper K zwingt die Cassels-Tate Paarung die Ordnung der Tate-Shafarevich Gruppe Sha(E/K) zu einem Quadrat. Ist A/K eine prinzipal polarisierte abelschen Varietät, so ist bewiesen, daß die Ordnung von Sha(A/K) ein Quadrat oder zweimal ein Quadrat ist. William Stein vermutet, daß es für jede quadratfreie positive ganze Zahl k eine abelsche Varietät A/Q gibt, mit #Sha(A/Q)=kn². Jedoch ist es ein offenes Problem was zu erwarten ist, wenn die Dimension von A/Q beschränkt wird. Betrachtet man ausschließlich abelsche Flächen B/Q, so liefern Resultate von Poonen, Stoll und Stein Beispiele mit #Sha(B/Q)=kn², für k aus {1,2,3}. Diese Arbeit studiert tiefgehend nicht-einfache abelsche Flächen B/Q, d.h. es gibt elliptische Kurven E_1/Q und E_2/Q und eine Isogenie phi: E_1 x E_2 -> B. Relativ zur quadratischen Ordnung der Tate-Shafarevich Gruppe von E_1 x E_2 soll die Ordnung von Sha(B/Q) bestimmt werden. Um dieses Ziel zu erreichen wird die Isogenie-Invarianz der Vermutung von Birch und Swinnerton-Dyer ausgenutzt. Für jedes k aus {1,2,3,5,6,7,10,13,14} wird eine nicht-einfache, nicht-prinzipal polarisierte abelsche Fläche B/Q konstruiert, mit #Sha(B/Q)=kn². Desweiteren wird computergestützt berechnet wie oft #Sha(B/Q)=5n², sofern die Isogenie phi: E_1 x E_2 -> B zyklisch vom Grad 5 ist. Es stellt sich heraus, daß dies bei circa 50% der ersten 20 Millionen Beispielen der Fall ist. Abschließend wird gezeigt, daß wenn phi: E_1 x E_2 -> B zyklisch ist und #Sha(B/Q)=kn², so liegt k in {1,2,3,5,6,7,10,13}. Bei allgemeinen Isogenien phi: E_1 x E_2 -> B bleibt es unklar, ob k nur endlich viele verschiedene Werte annehmen kann. Im Anhang wird auf abelsche Flächen eingegangen, welche isogen zu der Jacobischen J einer hyperelliptischen Kurve über Q sind. Mit den in dieser Arbeit entwickelten Techniken können, anhand gewisser zyklischer Isogenien phi: J -> B, für jedes k in {11,17,23,29} Beispiele mit #Sha(B/Q)=kn² gegeben werden. / For elliptic curves E/K over a number field K the Cassels-Tate pairing forces the order of the Tate-Shafarevich group Sha(E/K) to be a perfect square. It is known, that if A/K is a principally polarised abelian variety, then the order of Sha(A/K) is a square or twice a square. William Stein conjectures that for any given square-free positive integer k there is an abelian variety A/Q, such that #Sha(A/Q)=kn². However, it is an open question what to expect if the dimension of A/Q is bounded. Restricting to abelian surfaces B/Q, then results of Poonen, Stoll and Stein imply that there are examples such that #Sha(B/Q)=kn², for k in {1,2,3}. In this thesis we focus in depth on non-simple abelian surfaces B/Q, i.e. there are elliptic curves E_1/Q and E_2/Q and an isogeny phi: E_1 x E_2 -> B. We want to compute the order of Sha(B/Q) with respect to the order of the Tate-Shafarevich group of E_1 x E_2, which has square order. To achieve this goal, we explore the invariance under isogeny of the Birch and Swinnerton-Dyer conjecture. For each k in {1,2,3,5,6,7,10,13,14} we construct a non-simple non-principally polarised abelian surface B/Q, such that #Sha(B/Q)=kn². Furthermore, we compute numerically how often the order of Sha(B/Q) equals five times a square, for cyclic isogenies phi: E_1 x E_2 -> B of degree 5. It turns out that this happens to be the case in approx. 50% of the first 20 million examples we have checked. Finally, we prove that if there is a cyclic isogeny phi: E_1 x E_2 -> B and #Sha(B/Q)=kn², then k is in {1,2,3,5,6,7,10,13}. For general isogenies phi: E_1 x E_2 -> B it remains unclear, whether there are only finitely many possibilities for k. In the appendix, we briefly consider abelian surfaces B/Q being isogenous to Jacobians J of hyperelliptic curves over Q. The techniques developed in this thesis allow to understand certain cyclic isogenies phi: J -> B. For each k in {11,17,23,29}, we provide an example with #Sha(B/Q)=kn².