Dans la vie, on peut avoir besoin de communiquer avec des parties auxquelles on ne fait pas confiance, d'où l'importance de systèmes capables de contrôler ce type de communications. Des systèmes peuvent garantir, par exemple, un ballottage secret, des ventes aux enchères secrètes, des levées d'impôt tout en conservant l'intimité, l'authentification à distance à un ordinateur, l'aide anonyme de la police dans leurs enquêtes, etc. La cryptographie peut aider, au moins, dans quelques cas parmi ceux-ci, par la régularisation du flux d'information de telle manière qu'on n'aura plus besoin de faire confiance à l'autre partie. On fera confiance, seulement, aux systèmes cryptographiques utilisés. Une primitive, appelée mise en gage, est d'une importance suprême dans la cryptographie bipartite, où deux parties qui ne se font pas confiance essayent tout de même d'accomplir un calcul commun sur des données privées (calculer une fonction publique de leurs données secrètes). Cette primitive va être l'objet de ce mémoire. On va expliquer jusqu'à quel point on peut accomplir des taches cryptographiques de façon inconditionnellement sécuritaire, sous la seule hypothèse que la mécanique quantique et la relativité restreinte sont valides. Ce mémoire est largement basé sur les travaux de Mayers [52,53,54,55], Lo et Chau [49,50], Brassard, Crépeau, Mayers et Salvail [15], Spekkens et Rudolph [73], Hardy et Kent [35], Ishizaka [39] et Kent [43,44]. Il fait à la fois une présentation de la cryptographie quantique et une synthèse des travaux essentiels concernant les protocoles de mise en gage quantiques et relativistes. Nous allons donc commencer par une introduction sur l'histoire de la cryptographie classique et son prolongement naturel à ses homologues, quantique et relativiste, qui permettent d'obtenir de meilleurs résultats. Ensuite, nous introduirons un certain nombre d'outils mathématiques utiles à la description de la cryptographie quantique. Nous y présenterons également les preuves de plusieurs résultats à la base de la cryptographie quantique, tels que la décomposition de Schmidt, la purification, le théorème GHJW, le théorème d'Ulmann, le théorème de non-clonage, le théorème de la représentation de Kraus, etc. Nous discuterons aussi des concepts de base de l'informatique quantique, comme la mesure projective et généralisée, l'évolution des systèmes quantiques non isolés, la trace partielle, l'opérateur de densité, etc. Nous aborderons le protocole de la mise en gage proprement dit en exposant en détail la preuve du théorème de l'impossibilité de Mayers, Lo et Chau. Nous y présentons également le travail de Rudolph et Spekkens qui ont calculé les degrés optimaux de lien et de camouflage qui peuvent être obtenus simultanément dans tout protocole de mise en gage quantique non relativiste. Il s'agit-là d'une caractéristique qu'aucun protocole classique non relativiste ne peut assurer. Un autre type de sécurité pour ce protocole est étudié aussi, c'est celui de la mise en gage sensible à la tricherie "cheat sensitive" pour lequel on croyait que le protocole quantique de Hardy et Kent fonctionnait alors que lshizaka a démontré récemment que ce n'est pas le cas. Pire, il a même remis en question toute possibilité de réaliser ce type de sécurité en ce basant sur l'utilisation du protocole du tir à pile ou face comme sous-protocole. La cryptographie relativiste fera l'objet de notre dernier chapitre. Nous commencerons par montrer comment la théorie de la relativité restreinte, et donc l'impossibilité qu'un signal puisse se déplacer à une vitesse supérieur à celle de la lumière, peut être exploitée pour construire un protocole de mise en gage temporairement sécuritaire, c'est celui de Brassard, Crépeau, Mayers et Salvail. Nous présenterons ensuite le premier protocole relativiste d'une mise en gage continuellement sécuritaire, celui de Kent, et la preuve de sa sécurité. Ce protocole ne peut malheureusement pas être implémenté, même s'il est théoriquement sûr. Nous terminerons cette étude par une description d'un deuxième protocole relativiste du même auteur, qui va remédier aux problèmes liés à l'impossibilité pratique du premier protocole. Les preuves de la sécurité de ce dernier contre les attaques classiques et quantiques du type Mayers, Lo et Chau vont être abordées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Informatique quantique, Mise en gage quantique, Mise en gage quantique sensible à la tricherie, Mise en gage relativiste.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans ce mémoire, nous proposons des protocoles cryptographiques d'échange de clef, de mise en gage, et de transfert équivoque. Un premier protocole de transfert équivoque, primitive cryptographique universelle pour le calcul multi-parties, s'inspire du protocole d'échange de clef par puzzle de Merkle, et améliore les résultats existants. Puis, nous montrons qu'il est possible de construire ces mêmes primitives cryptographiques sans l'hypothèse des fonctions à sens unique, mais avec le problème 3SUM. Ce problème simple ---dans une liste de n entiers, en trouver trois dont la somme a une certaine valeur--- a une borne inférieure conjecturée de Omega(n^2). / In this work, we propose cryptographic protocols for key exchange, bit commitment and oblivious transfer. Our oblivious transfer protocol, universal cryptographic primitive for multipartie computation, is inspired from Merkle's key exchange protocol with puzzles, and improves on existing results. Then, we show that it's possible to build those same cryptographic primitives without the hypothesis of one-way functions, but with the 3SUM problem. This simple problem ---in a list of n integers, find three that sum is a desired value--- has a conjectured lower bound of Omega(n^2).

Dans ce mémoire, nous proposons des protocoles cryptographiques d'échange de clef, de mise en gage, et de transfert équivoque. Un premier protocole de transfert équivoque, primitive cryptographique universelle pour le calcul multi-parties, s'inspire du protocole d'échange de clef par puzzle de Merkle, et améliore les résultats existants. Puis, nous montrons qu'il est possible de construire ces mêmes primitives cryptographiques sans l'hypothèse des fonctions à sens unique, mais avec le problème 3SUM. Ce problème simple ---dans une liste de n entiers, en trouver trois dont la somme a une certaine valeur--- a une borne inférieure conjecturée de Omega(n^2). / In this work, we propose cryptographic protocols for key exchange, bit commitment and oblivious transfer. Our oblivious transfer protocol, universal cryptographic primitive for multipartie computation, is inspired from Merkle's key exchange protocol with puzzles, and improves on existing results. Then, we show that it's possible to build those same cryptographic primitives without the hypothesis of one-way functions, but with the 3SUM problem. This simple problem ---in a list of n integers, find three that sum is a desired value--- has a conjectured lower bound of Omega(n^2).

Dans cette thèse,nous étudions comment exploiter des contraintes spatio-temporelles,notamment le principe d'impossibilité de transmission supraluminique,dans le but de créer des primitives cryptographiques sûres,par exemple la vérification de position ou la "mise en gage de bit''(bit commitment). D'après le principe d'impossibilité de transmission supraluminique,aucun vecteur physique d'information ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Ce principe entraîne une contrainte sur le temps de communication entre deux points éloignés. Ce délai dans le transfert d'information peut être utilisé comme une contrainte temporelle interdisant la communication. En cryptographie multi-agents,il est connu que l'hypothèse de non-communication entre les agents permet de réaliser de manière sécurisée de nombreuses primitives comme la "mise en gage de bit'' et l'un des buts de cette thèse est de comprendre à quel point les contraintes spatio-temporelles peuvent être exploitèes pour simuler des scénarios de non-communication. Dans la première partie de cette thèse nous étudions comment utiliser une contrainte de non-communication pour essayer de vérifier la position d'une personne.Dans la dernière partie,nous nous penchons sur deux exemples de protocoles de ``mise en gage de bit'' relativistes afin d'en étudier la sécurité contre des adversaires classiques. Pour conclure cette thèse,nous mentionnons quelques problèmes ouverts intéréssants. Ces problèmes ouverts peuvent être très utiles pour comprendre le rôle de contraintes spatio-temporelles,par exemple de l'impossibilité de transmission supraluminique,dans la conception de primitives cryptographiques parfaitement sûres. / In this thesis we have studied how to exploit relativistic constraints such as the non-superluminal signalling principle to design secure cryptographic primitives like position-verification and bit commitment. According to non-superluminal signalling principle, no physical carrier of information can travel faster than the speed of light. This put a constraint on the communication time between two distant stations. One can consider this delay in information transfer as a temporal non-communication constraint. Cryptographic primitives like bit-commitment, oblivious transfer can be implemented with perfect secrecy under such non-communication assumption between the agents. The first part of this thesis has studied how non-signalling constraints can be used for secure position verification. Here, we have discussed about a strategy which can attack any position verification scheme. In the next part of this thesis we have discussed about the nonlocal games, relevant for studying relativistic bit commitment protocols. We have established an upper bound on the classical value of such family of games. The last part of this thesis discusses about two relativistic bit commitment protocols and their security against classical adversaries. We conclude this thesis by giving a brief summary of the content of each chapter and mentioning interesting open problems. These open problems can be very useful for better understanding of the role of spacetime constraints such as non-superluminal signalling in designing perfectly secure cryptographic primitives.

Il y a des problemes qui semblent impossible a resoudre sans l'utilisation d'un tiers parti honnete. Comment est-ce que deux millionnaires peuvent savoir qui est le plus riche sans dire a l'autre la valeur de ses biens ? Que peut-on faire pour prevenir les collisions de satellites quand les trajectoires sont secretes ? Comment est-ce que les chercheurs peuvent apprendre les liens entre des medicaments et des maladies sans compromettre les droits prives du patient ? Comment est-ce qu'une organisation peut ecmpecher le gouvernement d'abuser de l'information dont il dispose en sachant que l'organisation doit n'avoir aucun acces a cette information ? Le Calcul multiparti, une branche de la cryptographie, etudie comment creer des protocoles pour realiser de telles taches sans l'utilisation d'un tiers parti honnete. Les protocoles doivent etre prives, corrects, efficaces et robustes. Un protocole est prive si un adversaire n'apprend rien de plus que ce que lui donnerait un tiers parti honnete. Un protocole est correct si un joueur honnete recoit ce que lui donnerait un tiers parti honnete. Un protocole devrait bien sur etre efficace. Etre robuste correspond au fait qu'un protocole marche meme si un petit ensemble des joueurs triche. On demontre que sous l'hypothese d'un canal de diusion simultane on peut echanger la robustesse pour la validite et le fait d'etre prive contre certains ensembles d'adversaires. Le calcul multiparti a quatre outils de base : le transfert inconscient, la mise en gage, le partage de secret et le brouillage de circuit. Les protocoles du calcul multiparti peuvent etre construits avec uniquements ces outils. On peut aussi construire les protocoles a partir d'hypoth eses calculatoires. Les protocoles construits a partir de ces outils sont souples et peuvent resister aux changements technologiques et a des ameliorations algorithmiques. Nous nous demandons si l'efficacite necessite des hypotheses de calcul. Nous demontrons que ce n'est pas le cas en construisant des protocoles efficaces a partir de ces outils de base. Cette these est constitue de quatre articles rediges en collaboration avec d'autres chercheurs. Ceci constitue la partie mature de ma recherche et sont mes contributions principales au cours de cette periode de temps. Dans le premier ouvrage presente dans cette these, nous etudions la capacite de mise en gage des canaux bruites. Nous demontrons tout d'abord une limite inferieure stricte qui implique que contrairement au transfert inconscient, il n'existe aucun protocole de taux constant pour les mises en gage de bit. Nous demontrons ensuite que, en limitant la facon dont les engagements peuvent etre ouverts, nous pouvons faire mieux et meme un taux constant dans certains cas. Ceci est fait en exploitant la notion de cover-free families . Dans le second article, nous demontrons que pour certains problemes, il existe un echange entre robustesse, la validite et le prive. Il s'effectue en utilisant le partage de secret veriable, une preuve a divulgation nulle, le concept de fantomes et une technique que nous appelons les balles et les bacs. Dans notre troisieme contribution, nous demontrons qu'un grand nombre de protocoles dans la litterature basee sur des hypotheses de calcul peuvent etre instancies a partir d'une primitive appelee Transfert Inconscient Veriable, via le concept de Transfert Inconscient Generalise. Le protocole utilise le partage de secret comme outils de base. Dans la derniere publication, nous counstruisons un protocole efficace avec un nombre constant de rondes pour le calcul a deux parties. L'efficacite du protocole derive du fait qu'on remplace le coeur d'un protocole standard par une primitive qui fonctionne plus ou moins bien mais qui est tres peu couteux. On protege le protocole contre les defauts en utilisant le concept de privacy amplication . / There are seemingly impossible problems to solve without a trusted third-party. How can two millionaires learn who is the richest when neither is willing to tell the other how rich he is? How can satellite collisions be prevented when the trajectories are secret? How can researchers establish correlations between diseases and medication while respecting patient confidentiality? How can an organization insure that the government does not abuse the knowledge that it possesses even though such an organization would be unable to control that information? Secure computation, a branch of cryptography, is a eld that studies how to generate protocols for realizing such tasks without the use of a trusted third party. There are certain goals that such protocols should achieve. The rst concern is privacy: players should learn no more information than what a trusted third party would give them. The second main goal is correctness: players should only receive what a trusted third party would give them. The protocols should also be efficient. Another important property is robustness, the protocols should not abort even if a small set of players is cheating. Secure computation has four basic building blocks : Oblivious Transfer, secret sharing, commitment schemes, and garbled circuits. Protocols can be built based only on these building blocks or alternatively, they can be constructed from specific computational assumptions. Protocols constructed solely from these primitives are flexible and are not as vulnerable to technological or algorithmic improvements. Many protocols are nevertheless based on computational assumptions. It is important to ask if efficiency requires computational assumptions. We show that this is not the case by building efficient protocols from these primitives. It is the conclusion of this thesis that building protocols from black-box primitives can also lead to e cient protocols. This thesis is a collection of four articles written in collaboration with other researchers. This constitutes the mature part of my investigation and is my main contributions to the field during that period of time. In the first work presented in this thesis we study the commitment capacity of noisy channels. We first show a tight lower bound that implies that in contrast to Oblivious Transfer, there exists no constant rate protocol for bit commitments. We then demonstrate that by restricting the way the commitments can be opened, we can achieve better efficiency and in particular cases, a constant rate. This is done by exploiting the notion of cover-free families. In the second article, we show that for certain problems, there exists a trade-off between robustness, correctness and privacy. This is done by using verifiable secret sharing, zero-knowledge, the concept of ghosts and a technique which we call \balls and bins". In our third contribution, we show that many protocols in the literature based on specific computational assumptions can be instantiated from a primitive known as Verifiable Oblivious Transfer, via the concept of Generalized Oblivious Transfer. The protocol uses secret sharing as its foundation. In the last included publication, we construct a constant-round protocol for secure two-party computation that is very efficient and only uses black-box primitives. The remarkable efficiency of the protocol is achieved by replacing the core of a standard protocol by a faulty but very efficient primitive. The fault is then dealt with by a non-trivial use of privacy amplification.

L'avènement de l'informatique quantique permet de réétudier les primitives cryptographiques avec une sécurité inconditionnelle, c'est à dire sécurisé même contre des adversaires tout puissants. En 1984, Bennett et Brassard ont construit un protocole quantique de distribution de clé. Dans ce protocole, deux joueurs Alice et Bob coopèrent pour partager une clé secrète inconnue d'une tierce personne Eve. Ce protocole a une sécurité inconditionnelle et n'a pasd'équivalent classique.Dans ma thèse, j'ai étudié les primitives cryptographiques à deux joueurs où ces joueurs ne se font pas confiance. J'étudie principalement le pile ou face quantique et la mise-en-gage quantique de bit. En informatique classique, ces primitivessont réalisables uniquement avec des hypothèses calculatoires, c'est-à-dire en supposant la difficulté d'un problème donné. Des protocoles quantiques ont été construits pour ces primitives où un adversaire peut tricher avec une probabilité constante strictement inférieure à 1, ce qui reste impossible classiquement. Néanmoins, Lo et Chau ont montré l'impossibilité de créer ces primitives parfaitement même en utilisant l'informatique quantique. Il reste donc à déterminer quelles sont les limites physiques de ces primitives.Dans une première partie, je construis un protocole quantique de pile ou face où chaque joueur peut tricher avec probabilité au plus 1/racine(2) + eps pour tout eps > 0. Ce résultat complète un résultat de Kitaev qui dit que dans un jeu de pile ou face quantique, un joueur peut toujours tricher avec probabilité au moins 1/racine(2). J'ai également construit un protocole de mise-en-gage de bit quantique optimal où un joueur peut tricher avec probabilité au plus 0,739 + eps pour tout eps > 0 puis ai montré que ce protocole est en fait optimal. Finalement, j'ai dérivé des bornes inférieures et supérieures pour une autre primitive: la transmission inconsciente, qui est une primitive universelle.Dans une deuxième partie, j'intègre certains aspects pratiques dans ces protocoles. Parfois les appareils de mesure ne donnent aucun résultat, ce sont les pertes dans la mesure. Je construis un protocole de lancer de pièce quantique tolérant aux pertes avec une probabilité de tricher de 0,859. Ensuite, j'étudie le modèle dispositif-indépendant où on ne suppose plus rien sur les appareils de mesure et de création d'état quantique.Finalement, dans une troisième partie, j'étudie ces primitives cryptographiques avec un sécurité computationnelle. En particulier, je fais le lien entre la mise en gage de bit quantique et les protocoles zero-knowledge quantiques.

Cette thèse porte sur la distribution quantique de clés, qui est une primitive cryptographique permettant à deux correspondants éloignés, Alice et Bob, d'établir une clé secrète commune malgré la présence potentielle d'un espion. On s'intéresse notamment aux protocoles " à variables continues " où Alice et Bob encodent l'information dans l'espace des phases. L'intérêt majeur de ces protocoles est qu'ils sont faciles à mettre en œuvre car ils ne requièrent que des composants télécom standards. La sécurité de ces protocoles repose sur les lois de la physique quantique : acquérir de l'information sur les données échangées par Alice et Bob induit nécessairement un bruit qui révèle la présence de l'espion. Une étape particulièrement délicate pour les protocoles à variables continues est la " réconciliation " durant laquelle Alice et Bob utilisent leurs résultats de mesure classiques pour se mettre d'accord sur une chaîne de bits identiques. Nous proposons d'abord un algorithme de réconciliation optimal pour le protocole initial, puis introduisons un nouveau protocole qui résout automatiquement le problème de la réconciliation grâce à l'emploi d'une modulation discrète. Parce que les protocoles à variables continues sont formellement décrits dans un espace de Hilbert de dimension infinie, prouver leur sécurité pose des problèmes mathématiques originaux. Nous nous intéressons d'abord à des symétries spécifiques de ces protocoles dans l'espace des phases. Ces symétries permettent de simplifier considérablement l'analyse de sécurité. Enfin, nous étudions l'influence des effets de tailles finies, tels que l'estimation du canal quantique, sur les performances des protocoles.

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

No description available.