Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes. / In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons.

De plus en plus d’organisations sont informatisées et plus une organisation est grande, plus elle peut être la cible d’attaques via Internet. On note également que les internautes utilisent de plus en plus Internet pour faire des achats sur des sites de commerce électronique, pour se connecter à l’administration en ligne, pour voter de manière électronique, etc. Par ailleurs, certains d’entre eux ont de plus en plus d'équipements électroniques qui peuvent être raccordés à Internet et ce dans divers sites (domicile, voiture, lieu de travail, etc.). Ces équipements forment ce qu’on appelle un réseau personnel qui permet la mise en place de nouvelles applications centrées sur l’internaute. Les fournisseurs de services Internet peuvent ainsi étoffer leurs offres de services en présentant une offre de sécurisation de ce genre de réseau. Selon le rapport du cabinet « Arbor Networks » intitulé « Worldwide Infrastructure Security Report », les menaces identifiées comme les plus sévères sont relatives aux attaques de déni de service distribué. Ce type d’attaque a pour but de rendre indisponible un service en empêchant les utilisateurs légitimes de l'utiliser. Il utilise la technique de l’usurpation d’identité qui consiste en la création de paquets (de type IP, ARP, etc.) avec une adresse source forgée et ce dans le but d’usurper un système informatique ou d’usurper l’identité de l’émetteur. La technique de l’usurpation d’identité permet ainsi de rendre un service indisponible, d’écouter, de corrompre, de bloquer le trafic des internautes ou de nuire au bon fonctionnement des protocoles de routage et des réseaux personnels des clients. De plus, la technique de l’usurpation d’identité est également utilisée pour des activités interdites par la loi « Hadopi » en rigueur en France comme le téléchargement illégal. De ce fait, les fournisseurs de services Internet se doivent de prémunir leurs clients des attaques basées sur la technique de l’usurpation d’identité. Ces dits fournisseurs comptent sur les protocoles de routage qu’ils déroulent pour participer au bon acheminement des données de leurs clients. Cependant, le protocole intra-domaine OSPF et le protocole inter-domaine BGP sont vulnérables aux attaques utilisant la technique de l’usurpation d’identité qui peuvent conduire à l’acheminement des paquets vers des destinataires non légitimes ou au déni de service. Nous proposons donc deux mécanismes dédiés respectivement au protocole intra-domaine OSPF et au protocole inter-domaine BGP. D’une part, afin de protéger les routeurs OSPF contre les attaques utilisant la technique d’usurpation d’identité, nous avons préconisé le stockage de l’identité et du matériel cryptographique dans un coffre-fort électronique que sont les cartes à puce. Les cartes déroulent ensuite un algorithme de dérivation de clés avec les cartes des routeurs voisins ainsi qu’avec celle du routeur désigné. Les clés dérivées entre les cartes à puce servent à signer les messages OSPF et à authentifier le niveau MAC. Nous avons décrit par la suite la plateforme du démonstrateur et les scénarios de tests adoptés pour évaluer les performances de notre prototype et les comparer avec ceux du logiciel Quagga sur la base de trois critères : le temps requis pour traiter une annonce d'état de liens, le temps de convergence ainsi que le temps de re-calcul d’une table de routage après un changement. Ces temps augmentent peu avec l’introduction de la carte à puce implémentant les fonctions de sécurité proposées. Ainsi, cette solution permet de renforcer la sécurité du protocole OSPF avec un impact raisonnable sur les performances. D’autre part, afin de protéger les routeurs BGP contre les attaques utilisant la technique d’usurpation d’identité, nous avons préconisé la « clustérisation » des domaines Internet et la sécurisation des liens entre les clusters ainsi qu’au sein de chacun d’eux grâce aux paradigmes de « web of trust » et de la cryptographie sans certificats […] / More and more organizations are computerized and more an organization is great, plus it can be the target of Internet attacks. Moreover, some of them have a growing number of electronic equipments that can be connected to the Internet from various locations (home, car, workplace, etc.). These devices form a so-called personal area network that allows the development of new applications centered on users. The ISPs can then expand their service offerings by providing a secure supply of such networks. According to the report of the firm “Arbor Networks”, entitled "Worldwide Infrastructure Security Report ", the most severe threats are related to distributed denial of service. This type of attack aims to make available a service by preventing legitimate users from using it. It uses the technique of identity theft that involves the creation of packages (like IP, ARP, etc.) with a forged source address and that in order to usurp the Identity of the issuer or of the computer system. Thus, the technique of identity theft allows to render a service unavailable, to listen, to corrupt, to block traffic from Internet users or to undermine the legitimate operation of routing protocols and personal networks. Moreover, the technique of identity theft is also used for prohibited activities by "HADOPI" law in France and related to illegal downloading issues. Thus, the ISPs have a duty to protect their customers from attacks based on the technique of identity theft. The mechanisms of protection against spoofing attacks for access networks are crucial for customer adoption of new applications offered by Internet service providers. This part of the doctoral thesis is part of the European project “MAGNET Beyond" whose vision is to put into practice the concept of personal networks, with the ultimate objective to design, develop, prototype and validate the concept. In the context of user equipment’s access to the network of an Internet services provider from a public place, we proposed a cross-layer protocol based on the principles of information theory. This protocol fixes the security hole not addressed by other proposals that is the attack of identity theft that occurs at the beginning of communication and thus protects users against the middle man attacks. We proposed that the person who wants to have secure access to the Internet must be on a specific circle has been called "RED POINT" so that the attacker is not able to be on the same circle at the same time. The proposed cross-layer protocol can be divided into three phases: the phase of checking the position of the user, the extraction phase of the shared secret of the physical layer and the phase of the derivation of the shared key at the MAC layer. We subsequently validated our solution through a formal tool AVISPA and presented the results of its implementation. In a private context, communication between devices convey users' personal data which may be confidential, so we must prevent equipment not belonging to the legitimate user to access its network. Thus, we proposed two mechanisms of protection against attacks based on spoofing so that illegitimate equipment is unable to impersonate legitimate equipment. The first phase will be dedicated to personal networks and the second will be dedicated to the particular case of medical networks. Regarding the mechanism dedicated to personal networks, we have proposed the use of a protocol based on out-of-band channel in order to provide certificates to user equipments. We derive bilateral key for personal network’s equipments of the same site and between equipments at remote sites. Concerning the particular case of medical networks, we proposed to cover their deployment phases and their operational phases. This proposal was submitted to the IEEE 802.15.6 working group that conducts research for the standardization of medical networks […]

Cette thèse se concentre sur les problèmes liés à l’authentification dans la technologie RFID. Cette technologie est l’une des technologies les plus prometteuses dans le domaine de l’informatique ubiquitaire, elle est souvent désignée comme la prochaine révolution après Internet. Cependant, à cause des ressources très limitées en termes de calcul, mémoire et énergie sur les étiquettes RFID, les algorithmes classiques de sécurité ne peuvent pas être implémentés sur les étiquettes à bas coût rendant ainsi la sécurité et la vie privée un important sujet de recherche aujourd’hui. Dans un premier temps, nous étudions le passage à l’échelle dans les systèmes RFID à bas coût en développant un module pour ns-3 qui simule le standard EPC Class 1 Generation 2 pour établir un cadre stricte pour l’identification sécurisée des RFID à bas coût, ce qui nous conduit à l’utilisation de la cryptographie à clés publiques. Ensuite, nous proposons un protocole d’authentification basé sur une adaptation que nous avons introduit sur le célèbre cryptosystème NTRU. Ce protocole est spécialement conçu pour les RFID à bas coût comme les étiquettes n’implémentent que des opérations simples (xor, décalages, addition) et il garantit le passage à l’échelle. Enfin, nous considérons l’identification à divulgation nulle de connaissance, ce type d’approches est très utile dans de nombreuses applications RFID. Nous proposons deux protocoles à divulgation nulle de connaissance basés sur cryptoGPS et cryptoGPS randomisé. Ces approches consistent à stocker sur le serveur des coupons pré-calculés, ainsi la sécurité et la vie privée sont mieux supportées que dans les autres approches de ce type / This thesis focuses on issues related to authentication in low-cost radio frequency identification technology, more commonly referred to as RFID. This technology it is often referred to as the next technological revolution after the Internet. However, due to the very limited resources in terms of computation, memory and energy on RFID tags, conventional security algorithms cannot be implemented on low-cost RFID tags making security and privacy an important research subject today. First of all, we investigate the scalability in low-cost RFID systems by developing a ns-3 module to simulate the universal low-cost RFID standard EPC Class-1 Generation-2 in order to establish a strict framework for secure identification in low-cost RFID systems. We show that, the symmetrical key cryptography is excluded from being used in any scalable low-cost RFID standard. Then, we propose a scalable authentification protocol based on our adaptation of the famous public key cryptosystem NTRU. This protocol is specially designed for low-cost RFID systems, it can be efficiently implemented into low-cost tags. Finally, we consider the zero-knowledge identification i.e. when the no secret sharing between the tag and the reader is needed. Such identification approaches are very helpful in many RFID applications when the tag changes constantly the field of administration. We propose two lightweight zero-knowledge identification approaches based on GPS and randomized GPS schemes. The proposed approaches consist in storing in the back-end precomputed values in the form of coupons. So, the GPS-based variant can be private and the number of coupons can be much higher than in other approaches thus leading to higher resistance to denial of service attacks for cheaper tags

Dans cette thèse, nous étudions la sécurité de primitives cryptographiques. Ces systèmes sont fondés sur des transformations utilisant des objets mathématiques représentés de multiples manières. Nous utilisons alors certaines structures inhérentes à leurs composantes, et jusqu'alors non prises en compte, pour mettre en évidence de nouvelles vulnérabilités. Par l'exploitation de diverses représentations, nous avons ainsi cryptanalysé des chiffrements authentifiés de la compétition CAESAR, des chiffrements à flot spécifiques et des constructions génériques. Nous avons donné des critères de conception en vue de la standardisation par le NIST de chiffrements à bas coût. Dans le cas des chiffrements à flot, nous avons défini de nouveaux critères cryptographiques plus pertinents que les critères usuels. Plus précisément, nous analysons la sécurité des chiffrements par bloc légers au regard des récentes attaques par invariant, et nous montrons comment les éviter par un choix approprié de la couche linéaire de diffusion et des constantes de tour. Nous proposons une nouvelle cryptanalyse des registres filtrés, grâce à la décomposition des éléments dans les sous-groupes multiplicatifs du corps fini à 2^n éléments. L'analyse du chiffrement FLIP, mais aussi du générateur pseudo-aléatoire de Goldreich a mis en évidence des faiblesses exploitables dans des attaques de type ``supposer et déterminer'', qui nécessitent la prise en compte de nouveaux critères sur les fonctions booléennes utilisées dans ce contexte. Enfin, nous cryptanalysons une version simplifiée du chiffrement authentifié Ketje en utilisant plusieurs techniques, permettant ainsi d'affiner l'évaluation de sa sécurité. / In this thesis, we study the security of symmetric cryptographic primitives. These systems are based on transformations relying on mathematical objects that can be represented in multiple ways. We then exploit different induced structures to highlight new vulnerabilities. By exploiting various representations, we cryptanalyzed some schemes submitted to the CAESAR competition, and also some dedicated and generic stream ciphers. We exhibited design criteria for lightweight block ciphers in view of the NIST standardization process and in the case of stream ciphers we defined new cryptographic criteria more relevant than the usual ones. More precisely, we study the security of lightweight block ciphers with respect to the recent invariant attacks, and we show how to avoid them with an appropriate choice of the linear layer and the round constants. We propose a new cryptanalysis of the filtered registers, by decomposing elements in the multiplicative subgroups of the finite field with 2^n elements. The analysis of the FLIP cipher, but also of the Goldreich pseudo-random generator, revealed weaknesses that are exploitable in ``guess and determine'' attacks. This leads to new criteria on the Boolean functions used in this context. Finally, we cryptanalyze a weaker version of the authenticated encryption scheme Ketje using several techniques, in order to refine the security evaluation of this cipher.

Depuis la publication en 1999 du papier fondateur de Paul C. Kocher, Joshua Jaffe et Benjamin Jun, intitulé "Differential Power Analysis", les attaques par canaux auxiliaires se sont révélées être un moyen d’attaque performant contre les algorithmes cryptographiques. En effet, il s’est avéré que l’utilisation d’information extraite de canaux auxiliaires comme le temps d’exécution, la consommation de courant ou les émanations électromagnétiques, pouvait être utilisée pour retrouver des clés secrètes. C’est dans ce contexte que cette thèse propose, dans un premier temps, de traiter le problème de la réduction de dimension. En effet, en vingt ans, la complexité ainsi que la taille des données extraites des canaux auxiliaires n’a cessé de croître. C’est pourquoi la réduction de dimension de ces données permet de réduire le temps et d’augmenter l’efficacité des attaques. Les méthodes de réduction de dimension proposées le sont pour des modèles de fuites complexe et de dimension quelconques. Dans un second temps, une méthode d’évaluation d’algorithmes logiciels est proposée. Celle-ci repose sur l’analyse de l’ensemble des données manipulées lors de l’exécution du logiciel évalué. La méthode proposée est composée de plusieurs fonctionnalités permettant d’accélérer et d’augmenter l’efficacité de l’analyse, notamment dans le contexte d’évaluation d’implémentation de cryptographie en boîte blanche. / Since the publication in 1999 of the seminal paper of Paul C. Kocher, Joshua Jaffe and Benjamin Jun, entitled "Differential Power Analysis", the side-channel attacks have been proved to be efficient ways to attack cryptographic algorithms. Indeed, it has been revealed that the usage of information extracted from the side-channels such as the execution time, the power consumption or the electromagnetic emanations could be used to recover secret keys. In this context, we propose first, to treat the problem of dimensionality reduction. Indeed, since twenty years, the complexity and the size of the data extracted from the side-channels do not stop to grow. That is why the reduction of these data decreases the time and increases the efficiency of these attacks. The dimension reduction is proposed for complex leakage models and any dimension. Second, a software leakage assessment methodology is proposed ; it is based on the analysis of all the manipulated data during the execution of the software. The proposed methodology provides features that speed-up and increase the efficiency of the analysis, especially in the case of white box cryptography.

Les évolutions récentes de la cryptographie quantique ont permis de proposer sur le marché des appareils de distribution quantique de clé secrète (QKD). Ceci est obtenu en utilisant soit des variables discrètes et des compteurs de photons (DV), soit des variables continues et des systèmes de détection cohérente (CV). Les avancées technologiques s'orientent maintenant vers la réalisation de dispositifs plus petits, moins chers, et plus commodes à utiliser.L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre un protocole CV-QKD sur un circuit optique intégré en silicium, en utilisant une modulation Gaussienne d'états cohérents. Deux approches sont utilisées: dans la première l'émetteur Alice et le récepteur Bob sont sur le même circuit photonique (chip) pour une validation de principe, et dans la deuxième ils sont séparés.Les valeurs mesurées des paramètres de la communication permettent d'échanger une clé secrète. / During recent years there have been significant developments in quantum cryptography, bringing quantum key distribution (QKD) devices on the market. This can be done by using either discrete variables (DV) and photon counting, or continuous variables (CV) and coherent detection. Current technological evolutions are now aiming at developing smaller, cheaper and more user-friendly devices.This work focuses on the implementation of CV-QKD using silicon photonics techniques, which provide a high degree of integration. This is exploited to build an on-chip realization of a cryptographic protocol, using Gaussian modulation of coherent states. Two different approaches have been used, first by physically implementing the sender (Alice) and the receiver (Bob) on the same chip for validation purposes, and then by having them onto two separate chips. The measured communication parameters give the possibility to extract a secret key

La sécurité des applications sur le web est totalement dépendante de leur design et de la robustesse de l'implémentation des algorithmes et protocoles cryptographiques sur lesquels elles s'appuient. Cette thèse présente une nouvelle approche, applicable à de larges projets, pour vérifier l'état de l'art des algorithmes de calculs sur les grands nombres, tel que rencontrés dans les implémentations de référence. Le code et les preuves sont réalisés en F*, un langage orienté preuve et qui offre un système de types riche et expressif. L'implémentation et la vérification dans un langage d'ordre supérieur permet de maximiser le partage de code mais nuit aux performances. Nous proposons donc un nouveau langage, Low*, qui encapsule un sous ensemble de C en F* et qui compile vers C de façon sûre. Low* conserve toute l'expressivité de F* pour les spécifications et les preuves et nous l'utilisons pour implémenter de la cryptographie, en y intégrant les optimisations des implémentations de référence. Nous vérifions ce code en termes de sûreté mémoire, de correction fonctionnelle et d'indépendance des traces d'exécution vis à vis des données sensibles. Ainsi, nous présentons HACL*, une bibliothèque cryptographique autonome et entièrement vérifiée, dont les performances sont comparables sinon meilleures que celles du code C de référence. Plusieurs algorithmes de HACL* font maintenant partie de la bibliothèque NSS de Mozilla, utilisée notamment dans Firefox et dans RedHat. Nous appliquons les mêmes concepts sur miTLS, une implémentation de TLS vérifiée et montrons comment étendre cette méthodologie à des preuves cryptographiques, du parsing de message et une machine à état. / The security of Internet applications relies crucially on the secure design and robust implementations of cryptographic algorithms and protocols. This thesis presents a new, scalable and extensible approach for verifying state-of-the-art bignum algorithms, found in popular cryptographic implementations. Our code and proofs are written in F∗, a proof-oriented language which offers a very rich and expressive type system. The natural way of writing and verifying higher-order functional code in F∗ prioritizes code sharing and proof composition, but this results in low performance for cryptographic code. We propose a new language, Low∗, a fragment of F∗ which can be seen as a shallow embedding of C in F∗ and safely compiled to C code. Nonetheless, Low∗ retains the full expressiveness and verification power of the F∗ system, at the specification and proof level. We use Low∗ to implement cryptographic code, incorporating state-of-the-art optimizations from existing C libraries. We use F∗ to verify this code for functional correctness, memory safety and secret in- dependence. We present HACL∗, a full-fledged and fully verified cryptographic library which boasts performance on par, if not better, with the reference C code. Several algorithms from HACL∗ are now part of NSS, Mozilla’s cryptographic library, notably used in the Firefox web browser and the Red Hat operating system. Eventually, we apply our techniques to miTLS, a verified implementation of the Transport Layer Security protocol. We show how they extend to cryptographic proofs, state-machine implementations and message parsing verification.

L’échange de clef authentifié est probablement la primitive asymétrique la plus utilisée, notamment du fait de son inclusion dans le protocole TLS. Pour autant, son cousin, l’échange de clef authentifié par mot de passe, où l’authentification s’effectue par comparaison de mot de passe, l’est bien moins, bien qu’ayant déjà fait l’objet d’études considérables. C’est pourtant une primitive finalement bien plus proche d’une authentification réelle, dès lors qu’une des parties est humaine. Dans cette thèse, nous considérons des primitives avancées fondées sur l’échange de clef authentifié par mot de passe, en gardant à l’œil ses applications pratiques. Spécifiquement, nous introduisons une nouvelle primitive, l’échange de clef authentifié par mot de passe approximatif, où la condition de succès de l’authentification est désormais d’avoir une distance suffisamment faible entre les deux mots de passe, et plus nécessairement l’égalité parfaite. Nous fournissons un modèle de sécurité dans le cadre du modèle de composabilité universelle (UC) ainsi qu’une construction reposant sur un partage de secret robuste et des échanges de clefs authentifiés par mot de passe exact. Dans une seconde partie, nous considérons le problème pratique de la perte du mot de passe dès lors qu’une session est conduite sur un terminal compromis. Étant donné qu’il s’agit d’un problème intrinsèque à l’authentification par mot de passe, nous étendons le modèle BPR habituel pour prendre en compte, en lieu et place du mot de passe, des questions-réponses, toujours de faible entropie. Nous fournissons plusieurs protocoles dans ce modèle, dont certains reposent sur des familles de fonctions compatibles avec les humains, dans lesquelles les opérations requises pour dériver la réponse depuis la question sont suffisamment simples pour être faites de tête, permettant donc à l’humain de s’identifier directement. / Authenticated key exchange is probably the most widely deployed asymmetric cryptographic primitive, notably because of its inclusion in the TLS protocol. Its cousin, password-authenticated key exchange — where the authentication is done using a low-entropy password — while having been studied extensively as well has been much less used in practice. It is, however, a primitive much closer to actual authentication when at least one party is human. In this thesis, we consider advanced primitives based on password-authenticated key exchange, with an eye toward practical applications. Specifically, we introduce fuzzy password-authenticated key exchange, where the authentication succeeds as long as the two passwords are close enough, and not necessarily equal. We provide a security model in the UC framework, as well as a construction based on regular password-authenticated key exchanges and robust secret-sharing schemes. Secondly, we consider the practical problem of password leakage when taking into account sessions conducted on a corrupted device. As there is intrinsically no hope with regular password authentication, we extend the BPR security model to consider low-entropy challenge responses instead. We then provide several instantiations, some based on human-compatible function families, where the operation required to answer the challenge are simple enough to be conducted in one’s head, allowing the actual authentication to be directly performed by the human being.

Whitebox cryptography aims at protecting standard cryptographic algorithmsthat execute in attacker-controlled environments. In these, the attacker is ableto read a secret key directly from memory. Common implementations mask alldata at runtime and operate on masked data by using many small precomputedtables. Practical whiteboxes involve trade-offs between security and executionspeed, to limit their footprints and enable applications such as real-time videostreaming.To improve this compromise, we study the use of bitslicing (or bitparallelism)to implement whiteboxes. Bitslicing is commonly used to writefast constant-time implementations of cryptographic algorithms and relies onthe synthesis of boolean circuits implementing the corresponding algorithms.The synthesis of optimal circuits for lookup tables is resource intensive andgenerally only performed once. In a whitebox context however, many randomlookup tables are generated at compile-time. We therefore require the booleancircuit generation to be time efficient.In this master thesis, we review the existing circuit-synthesis algorithms,and analyse their usability in the whitebox context. In particular, we studythe technique of Binary Decision Diagrams to generate efficient circuits ina cheap and adaptable manner. We implemented a flexible version of thisalgorithm as a C++ library. Eventually, we go through different techniques toevaluate the generated circuits and analyse the performances of our algorithm,and recommand the best parameters for the whitebox context. / Vit-låda kryptografi syftar till att skydda kryptografiska standardalgoritmersom körs i miljöer som kontrolleras av angripare, där angriparen kan läsa enhemlig nyckel direkt från minnet. Vanliga tillämpningar maskerar alla data vidkörning och bearbetar maskerade data med hjälp av många små förberäknadetabeller. Praktiska vit-låda innebär att man måste göra avvägningar mellansäkerhet och exekveringshastighet, för att begränsa deras fotavtryck och möjliggöratillämpningar som till exempel videoströmning i realtid.För att förbättra denna kompromiss studerar vi användningen av bitslicing(eller bit-parallelism) för att genomföra vit-låda. Bitslicing används vanligenför att skriva snabba konstanttidsimplementationer av kryptografiska algoritmeroch kräver syntes av boolska kretsar som implementerar motsvarande funktioner.Syntesen av optimala kretsar för uppslagstabeller är resurskrävande och utförsi allmänhet bara en gång. I ett vit-låda-sammanhang genereras dock mångaslumpmässiga uppslagstabeller vid kompilering, och därför kräver vi attgenereringen av boolska kretsar är tidseffektiv.I denna masteruppsats går vi igenom de befintliga algoritmerna för kretssyntesoch analyserar deras användbarhet i vit-låda-sammanhang. Vi studerar särskilttekniken med binära beslutsdiagram för att generera effektiva kretsar på ettbilligt och anpassningsbart sätt. Vi har implementerat en flexibel version avdenna algoritm som ett C++-bibliotek. Slutligen går vi igenom olika teknikerför att utvärdera de genererade kretsarna och analysera vår algoritms prestandaoch rekommenderar de bästa parametrarna för whitebox-kontexten. / La cryptographie en boîte blanche est connue comme protection pour desalgorithmes cryptographiques s’exécutant dans des environnements contrôléspar l’attaquant. L’approche classique consiste à remplacer les opérations pardes accès à des tables précalculées, ce qui a un coût en performance. Il estdifficile d’obtenir un bon compromis entre sécurité et vitesse d’exécution pourdes applications lourdes telles que la diffusion de contenus vidéos en tempsréel.Le parallélisme au bit ou bitslicing est utilisé en cryptographie traditionnellepour accélérer les implémentations, mais aussi en boîte blanche. Cettetechnique d’implémentation demande la synthèse d’un circuit booléen pourchaque table, recherche qui peut être très coûteuse en temps. En pratique, ilest commun de regénérer régulièrement toutes les tables utilisées dans uneboîte blanche pour renouveler sa défense, ce qui complique l’application dubit-parallélisme.Nous présentons dans cette thèse de master notre effort pour une synthèseefficace de circuits booléens à l’usage de la compilation de boîtes blanchesparallèles au bit. Nous publierons avec cet article une bibliothèque C++ etun module de compilation LLVM pour l’écriture d’implémentation bitslicée,avec un objectif de performance et de lisibilité.

Key agreement is a cryptographic scenario between two legitimate parties, who need to establish a common secret key over a public authenticated channel, and an eavesdropper who intercepts all their messages in order to learn the secret. We consider query complexity in which we count only the number of evaluations (queries) of a given black-box function, and classical communication channels. Ralph Merkle provided the first unclassified scheme for secure communications over insecure channels. When legitimate parties are willing to ask O(N) queries for some parameter N, any classical eavesdropper needs Omega(N^2) queries before being able to learn their secret, which is is optimal. However, a quantum eavesdropper can break this scheme in O(N) queries. Furthermore, it was conjectured that any scheme, in which legitimate parties are classical, could be broken in O(N) quantum queries. In this thesis, we introduce protocols à la Merkle that fall into two categories. When legitimate parties are restricted to use classical computers, we offer the first secure classical scheme. It requires Omega(N^{13/12}) queries of a quantum eavesdropper to learn the secret. We give another protocol having security of Omega(N^{7/6}) queries. Furthermore, for any k>= 2, we introduce a classical protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1/2+k/{k+1}}) queries, approaching Theta(N^{3/2}) when k increases. When legitimate parties are provided with quantum computers, we present two quantum protocols improving on the best known scheme before this work. Furthermore, for any k>= 2, we give a quantum protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1+{k}/{k+1}})} queries, approaching Theta(N^{2}) when k increases. / Un protocole d'échange de clés est un scénario cryptographique entre deux partis légitimes ayant besoin de se mettre d'accord sur une clé commune secrète via un canal public authentifié où tous les messages sont interceptés par un espion voulant connaître leur secret. Nous considérons un canal classique et mesurons la complexité de calcul en termes du nombre d'évaluations (requêtes) d'une fonction donnée par une boîte noire. Ralph Merkle fut le premier à proposer un schéma non classifié permettant de réaliser des échanges securisés avec des canaux non securisés. Lorsque les partis légitimes sont capables de faire O(N) requêtes pour un certain paramètre N, tout espion classique doit faire Omega(N^2) requêtes avant de pouvoir apprendre leur secret, ce qui est optimal. Cependant, un espion quantique peut briser ce schéma avec O(N) requêtes. D'ailleurs, il a été conjecturé que tout protocole, dont les partis légitimes sont classiques, pourrait être brisé avec O(N) requêtes quantiques. Dans cette thèse, nous introduisons deux catégories des protocoles à la Merkle. Lorsque les partis légitimes sont restreints à l'utilisation des ordinateurs classiques, nous offrons le premier schéma classique sûr. Il oblige tout adversaire quantique à faire Omega(N^{13/12}) requêtes avant d'apprendre le secret. Nous offrons aussi un protocole ayant une sécurité de Omega(N^{7/6}) requêtes. En outre, pour tout k >= 2, nous donnons un protocole classique pour lequel les partis légitimes établissent un secret avec O(N) requêtes alors que la stratégie optimale d'espionnage quantique nécessite Theta(N^{1/2 + k/{k +1}}) requêtes, se rapprochant de Theta(N^{3/2}) lorsque k croît. Lors les partis légitimes sont équipés d'ordinateurs quantiques, nous présentons deux protocoles supérieurs au meilleur schéma connu avant ce travail. En outre, pour tout k >= 2, nous offrons un protocole quantique pour lequel les partis légitimes établissent un secret avec O(N) requêtes alors que l'espionnage quantique optimale nécessite Theta(N^{1+{k}/{k+1}}) requêtes, se rapprochant de Theta(N^{2}) lorsque k croît.