M.Sc. (Computer Science) / The main themes of this thesis are the characteristics of natural language, cryptographic algorithms to encipher natural language and possible figures of merit with which to compare different cryptographic algorithms. In this thesis the characteristics of natural language and the influence this has on cryptographic algorithms is investigated. The entropy function of Shannon is used extensively to evaluate the different models that can be constructed to simulate natural language. Natural language redundancy is , investigated and quantified by the entropy function. The influence this redundancy has on the theoretic security of different algorithms is tabulated. Shannon's unicity distance is used as a measure of security for this purpose. The unicity distance is already shown at this early stage to be not a very accurate measure of real (practical) security of cryptographic ciphers. The cryptographic algorithms discussed in this thesis are arbitarily divided into three groups: classical algorithms, public key algorithms and computer algorithms. In the classical algorithms cryptographic techniques such as transposition and character substitution are included. Well known ciphers such as the Playfair and Hill encipherment schemes are also included as classical cryptographic techniques. A special section is devoted to the use and cryptanalytic techniques of polyaphabetic ciphers. The public key ciphers are divided into three main groups: knapsack ciphers, RSA type ciphers and discrete logarithmic systems. Except for the discrete logarithmic cipher several examples of the other two groups are given. Examples of knapsack ciphers are: Merkle Hellman knapsack, Graham-Shamir knapsack and Shamir's random knapsack.

M.Sc. (Computer Science) / Since the emergence of electronic communication, scientists have strived to make these communication systems as secure as possible. Classical cryptographical methods provided secrecy, with the proviso that the courier delivering the keys could be trusted. This method of key distribution proved to be too inefficient and costly. 'Cryptographical renaissance' was brought about with the advent of public key cryptography, in which the message key consists of a pair of mathematically complementary keys, instead of the symmetric keys of its forerunner. Classical cryptographical techniques were by no means obsolete, as the idea of using 'hybrid' systems proved to be very effective, by using the tedious public key techniques to allow both parties to share a secret, and the more efficient symmetric algorithms to actually encrypt the message. New technology leads, however, to new difficulties and the problems of key management now arose. Various protocols started emerging as solutions to the key distribution problem, each with their own advantages and disadvantages. The aim of this work is to critically review these protocols, analyse the shortfalls and attempt to design a protocol which will overcome these shortfalls. The class of protocol reviewed are the so-called 'strong authentication' protocols, whereby interaction between the message sender and recipient is required.

The aim of this work is to investigate a security model in which we allow an adversary to have access to functions of the secret key. In recent years, significant progress has been made in understanding the security of encryption schemes in the presence of key-dependent plaintexts or messages (known as KDM). Here, we motivate and explore the security of a setting, where an adversary against a message authentication code (MAC) or signature scheme can access signatures on key-dependent messages. We propose a way to formalize the security of message authentication schemes in the presence of key-dependent MACs (KD-EUF) and of signature schemes in the presence of key-dependent signatures (KDS). An attack on a message recognition protocol involving a MAC is presented. It turns out that the situation is quite different from key-dependent encryption: To achieve KD-EUF-security or KDS-security under non-adaptive chosen message attacks, the use of a stateful signing algorithm is inevitable even in the random oracle model. After discussing the connection between key-dependent signing and forward security, we describe a compiler which lifts any EUF-CMA secure one-time signature scheme to a forward secure signature scheme offering KDS-CMA security. Then, we discuss how aggregate signatures can be used to combine the signatures in the certificate chain used in the compiler. A natural question arises about how to combine the security definitions of KDM and KDS to come up with a signcryption scheme that is secure. We also offer a connection with Leakage-Resilient Signatures, which take into account side-channel attacks. Lastly, we present some open problems for future research. / by Madeline Gonzalez. / Thesis (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2009. / Includes bibliography. / Electronic reproduction. Boca Raton, Fla., 2009. Mode of access: World Wide Web.

Cette thèse étudie deux aspects d'interaction entre deux joueurs dans le modèle du calcul et de la communication quantique.<p><p>Premièrement, elle étudie deux primitives cryptographiques quantiques, des briques de base pour construire des protocoles cryptographiques complexes entre deux joueurs, comme par exemple un protocole d'identification.<p><p>La première primitive est la "mise en gage quantique". Cette primitive ne peut pas être réalisée de manière inconditionnellement sûre, mais il est possible d'avoir une sécurité lorsque les deux parties sont soumises à certaines contraintes additionnelles. Nous étudions cette primitive dans le cas où les deux joueurs sont limités à l'utilisation d'états et d'opérations gaussiennes, un sous-ensemble de la physique quantique central en optique, donc parfaitement adapté pour la communication via fibres optiques. Nous montrons que cette restriction ne permet malheureusement pas la réalisation de la mise en gage sûre. Pour parvenir à ce résultat, nous introduisons la notion de purification intrinsèque, qui permet de contourner l'utilisation du théorème de Uhlman, en particulier dans le cas gaussien.<p><p>Nous examinons ensuite une primitive cryptographique plus faible, le "tirage faible à pile ou face", dans le modèle standard du calcul quantique. Carlos Mochon a donné une preuve d'existence d'un tel protocole avec un biais arbitrairement petit. Nous donnons une interprétation claire de sa preuve, ce qui nous permet de la simplifier et de la raccourcir grandement.<p><p>La seconde partie de cette thèse concerne l'étude de méthodes pour prouver des bornes inférieures dans le modèle de la complexité en requête. Il s'agit d'un modèle de complexité central en calcul quantique dans lequel de nombreux résultats majeurs ont été obtenus. Dans ce modèle, un algorithme ne peut accéder à l'entrée uniquement qu'en effectuant des requêtes sur chacune des variables de l'entrée. Nous considérons une extension de ce modèle dans lequel un algorithme ne calcule pas une fonction, mais doit générer un état quantique.<p><p>Cette généralisation nous permet de comparer les différentes méthodes pour prouver des bornes inférieures dans ce modèle. Nous montrons d'abord que la méthode par adversaire ``multiplicative" est plus forte que la méthode ``additive". Nous montrons ensuite une réduction de la méthode polynomiale à la méthode multiplicative, ce qui permet de conclure à la supériorité de la méthode par adversaire multiplicative sur toutes les autres méthodes.<p><p>Les méthodes par adversaires sont en revanche souvent difficiles à utiliser car elles nécessitent le calcul de normes de matrices de très grandes tailles. Nous montrons comment l'étude des symétries d'un problème simplifie grandement ces calculs.<p><p>Enfin, nous appliquons ces formules pour prouver la borne inférieure optimale du problème Index-Erasure, un problème de génération d'état quantique lié au célèbre problème Isomorphisme-de-Graphes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p>La distribution quantique de clés est une technique cryptographique permettant l'échange de clés secrètes dont la confidentialité est garantie par les lois de la mécanique quantique. Le comportement particulier des particules élémentaires est exploité. En effet, en mécanique quantique, toute mesure sur l'état d'une particule modifie irrémédiablement cet état. En jouant sur cette propriété, deux parties, souvent appelées Alice et Bob, peuvent encoder une clé secrète dans des porteurs quantiques tels que des photons uniques. Toute tentative d'espionnage demande à l'espion, Eve, une mesure de l'état du photon qui transmet un bit de clé et donc se traduit par une perturbation de l'état. Alice et Bob peuvent alors se rendre compte de la présence d'Eve par un nombre inhabituel d'erreurs de transmission.</p><p><p><p>L'information échangée par la distribution quantique n'est pas directement utilisable mais doit être d'abord traitée. Les erreurs de transmissions, qu'elles soient dues à un espion ou simplement à du bruit dans le canal de communication, doivent être corrigées grâce à une technique appelée réconciliation. Ensuite, la connaissance partielle d'un espion qui n'aurait perturbé qu'une partie des porteurs doit être supprimée de la clé finale grâce à une technique dite d'amplification de confidentialité.</p><p><p><p>Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la distribution quantique de clé où les porteurs sont des états continus de la lumière. En particulier, une partie importante de ce travail est consacrée au traitement de l'information continue échangée par un protocole particulier de distribution quantique de clés, où les porteurs sont des états cohérents de la lumière. La nature continue de cette information implique des aménagements particuliers des techniques de réconciliation, qui ont surtout été développées pour traiter l'information binaire. Nous proposons une technique dite de réconciliation en tranches qui permet de traiter efficacement l'information continue. L'ensemble des techniques développées a été utilisé en collaboration avec l'Institut d'Optique à Orsay, France, pour produire la première expérience de distribution quantique de clés au moyen d'états cohérents de la lumière modulés continuement.</p><p><p><p>D'autres aspects importants sont également traités dans cette thèse, tels que la mise en perspective de la distribution quantique de clés dans un contexte cryptographique, la spécification d'un protocole complet, la création de nouvelles techniques d'amplification de confidentialité plus rapides à mettre en œuvre ou l'étude théorique et pratique d'algorithmes alternatifs de réconciliation.</p><p><p><p>Enfin, nous étudions la sécurité du protocole à états cohérents en établissant son équivalence à un protocole de purification d'intrication. Sans entrer dans les détails, cette équivalence, formelle, permet de valider la robustesse du protocole contre tout type d'espionnage, même le plus compliqué possible, permis par les lois de la mécanique quantique. En particulier, nous généralisons l'algorithme de réconciliation en tranches pour le transformer en un protocole de purification et nous établissons ainsi un protocole de distribution quantique sûr contre toute stratégie d'espionnage.</p><p><p><p>Quantum key distribution is a cryptographic technique, which allows to exchange secret keys whose confidentiality is guaranteed by the laws of quantum mechanics. The strange behavior of elementary particles is exploited. In quantum mechnics, any measurement of the state of a particle irreversibly modifies this state. By taking advantage of this property, two parties, often called Alice and bob, can encode a secret key into quatum information carriers such as single photons. Any attempt at eavesdropping requires the spy, Eve, to measure the state of the photon and thus to perturb this state. Alice and Bob can then be aware of Eve's presence by a unusually high number of transmission errors.</p><p><p><p>The information exchanged by quantum key distribution is not directly usable but must first be processed. Transmission errors, whether they are caused by an eavesdropper or simply by noise in the transmission channel, must be corrected with a technique called reconciliation. Then, the partial knowledge of an eavesdropper, who would perturb only a fraction of the carriers, must be wiped out from the final key thanks to a technique called privacy amplification.</p><p><p><p>The context of this thesis is the quantum key distribution with continuous states of light as carriers. An important part of this work deals with the processing of continuous information exchanged by a particular protocol, where the carriers are coherent states of light. The continuous nature of information in this case implies peculiar changes to the reconciliation techniques, which have mostly been developed to process binary information. We propose a technique called sliced error correction, which allows to efficiently process continuous information. The set of the developed techniques was used in collaboration with the Institut d'Optique, Orsay, France, to set up the first experiment of quantum key distribution with continuously-modulated coherent states of light.</p><p><p><p>Other important aspects are also treated in this thesis, such as placing quantum key distribution in the context of a cryptosystem, the specification of a complete protocol, the creation of new techniques for faster privacy amplification or the theoretical and practical study of alternate reconciliation algorithms.</p><p><p><p>Finally, we study the security of the coherent state protocol by analyzing its equivalence with an entanglement purification protocol. Without going into the details, this formal equivalence allows to validate the robustness of the protocol against any kind of eavesdropping, even the most intricate one allowed by the laws of quantum mechanics. In particular, we generalize the sliced error correction algorithm so as to transform it into a purification protocol and we thus establish a quantum key distribution protocol secure against any eavesdropping strategy.</p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished