Contrairement aux protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des nombres, les systèmes de chiffrement basés sur les codes correcteurs d’erreurs semblent résister à l’émergence des ordinateurs quantiques. Un autre avantage de ces systèmes est que le chiffrement et le déchiffrement sont très rapides, environ cinq fois plus rapide pour le chiffrement, et 10 à 100 fois plus rapide pour le déchiffrement par rapport à RSA. De nos jours, l’intérêt de la communauté scientifique pour la cryptographie basée sur les codes est fortement motivé par la dernière annonce de la “National Institute of Standards and Technology" (NIST), qui a récemment initié le projet intitulé “Post-Quantum cryptography Project". Ce projet vise à définir de nouveaux standards pour les cryptosystèmes résistants aux attaques quantiques et la date limite pour la soumission des cryptosystèmes à clé publique est fixée pour novembre 2017. Une telle annonce motive certainement à proposer de nouveaux protocoles cryptographiques basés sur les codes, mais aussi à étudier profondément la sécurité des protocoles existants afin d’écarter toute surprise en matière de sécurité. Cette thèse suit cet ordre d’idée en étudiant la sécurité de plusieurs protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des codes correcteurs d’erreurs. Nous avons commencé par l’étude de la sécurité d’une version modifiée du cryptosystème de Sidelnikov, proposée par Gueye et Mboup [GM13] et basée sur les codes de Reed-Muller. Cette modification consiste à insérer des colonnes aléatoires dans la matrice génératrice (ou de parité) secrète. La cryptanalyse repose sur le calcul de carrés du code public. La nature particulière des codes de Reed-Muller qui sont définis au moyen de polynômes multivariés binaires, permet de prédire les valeurs des dimensions des codes carrés calculés, puis permet de récupérer complètement en temps polynomial les positions secrètes des colonnes aléatoires. Notre travail montre que l’insertion de colonnes aléatoires dans le schéma de Sidelnikov n’apporte aucune amélioration en matière de sécurité. Le résultat suivant est une cryptanalyse améliorée de plusieurs variantes du cryptosystème GPT qui est un schéma de chiffrement en métrique rang utilisant les codes de Gabidulin. Nous montrons qu’en utilisant le Frobenius de façon appropriée sur le code public, il est possible d’en extraire un code de Gabidulin ayant la même dimension que le code de Gabidulin secret mais avec une longueur inférieure. Le code obtenu corrige ainsi moins d’erreurs que le code secret, mais sa capacité de correction d’erreurs dépasse le nombre d’erreurs ajoutées par l’expéditeur et par conséquent, un attaquant est capable de déchiffrer tout texte chiffré, à l’aide de ce code de Gabidulin dégradé. Nos résultats montrent qu’en fin de compte, toutes les techniques existantes visant à cacher la structure algébrique des codes de Gabidulin ont échoué. Enfin, nous avons étudié la sécurité du système de chiffrement de Faure-Loidreau [FL05] qui est également basé sur les codes de Gabidulin. Inspiré par les travaux précédents et, bien que la structure de ce schéma diffère considérablement du cadre classique du cryptosystème GPT, nous avons pu montrer que ce schéma est également vulnérable à une attaque polynomiale qui récupère la clé privée en appliquant l’attaque d’Overbeck sur un code public approprié. Comme exemple, nous arrivons en quelques secondes à casser les paramètres qui ont été proposés comme ayant un niveau de sécurité de 80 bits. / Contrary to the cryptosystems based on number theory, the security of cryptosystems based on error correcting codes appears to be resistant to the emergence of quantum computers. Another advantage of these systems is that the encryption and decryption are very fast, about five times faster for encryption, and 10 to 100 times faster for decryption compared to RSA cryptosystem. Nowadays, the interest of scientific community in code-based cryptography is highly motivated by the latest announcement of the National Institute of Standards and Technology (NIST). They initiated the Post-Quantum cryptography Project which aims to define new standards for quantum resistant cryptography and fixed the deadline for public key cryptographic algorithm submissions for November 2017. This announcement motivates to study the security of existing schemes in order to find out whether they are secure. This thesis thus presents several attacks which dismantle several code-based encryption schemes. We started by a cryptanalysis of a modified version of the Sidelnikov cryptosystem proposed by Gueye and Mboup [GM13] which is based on Reed-Muller codes. This modified scheme consists in inserting random columns in the secret generating matrix or parity check matrix. The cryptanalysis relies on the computation of the square of the public code. The particular nature of Reed-Muller which are defined by means of multivariate binary polynomials, permits to predict the values of the dimensions of the square codes and then to fully recover in polynomial time the secret positions of the random columns. Our work shows that the insertion of random columns in the Sidelnikov scheme does not bring any security improvement. The second result is an improved cryptanalysis of several variants of the GPT cryptosystem which is a rank-metric scheme based on Gabidulin codes. We prove that any variant of the GPT cryptosystem which uses a right column scrambler over the extension field as advocated by the works of Gabidulin et al. [Gab08, GRH09, RGH11] with the goal to resist Overbeck’s structural attack [Ove08], are actually still vulnerable to that attack. We show that by applying the Frobeniusoperator appropriately on the public key, it is possible to build a Gabidulin code having the same dimension as the original secret Gabidulin code, but with a lower length. In particular, the code obtained by this way corrects less errors than thesecret one but its error correction capabilities are beyond the number of errors added by a sender, and consequently an attacker is able to decrypt any ciphertext with this degraded Gabidulin code. We also considered the case where an isometrictransformation is applied in conjunction with a right column scrambler which has its entries in the extension field. We proved that this protection is useless both in terms of performance and security. Consequently, our results show that all the existingtechniques aiming to hide the inherent algebraic structure of Gabidulin codes have failed. To finish, we studied the security of the Faure-Loidreau encryption scheme [FL05] which is also a rank-metric scheme based on Gabidulin codes. Inspired by our precedent work and, although the structure of the scheme differs considerably from the classical setting of the GPT cryptosystem, we show that for a range of parameters, this scheme is also vulnerable to a polynomial-time attack that recovers the private key by applying Overbeck’s attack on an appropriate public code. As an example we break in a few seconds parameters with 80-bit security claim.

Nous naviguons présentement sur la vague de la deuxième révolution quantique qui nous dirige vers un océan de possibilités. L’approche tant attendue de l’ordinateur quantique affecte notre société, notamment la sécurité mondiale actuelle. C’est la course pour mettre à jour nos réseaux de communication pour maintenir le droit à la vie privée. En cryptographie, bien que le chiffrement de message soit crucial pour des échanges privés, la sécurité générale de toute communication repose majoritairement sur la sécurité d’une clé. C’est pourquoi l’établissement quantique de clé ou QKD (de quantum key distribution en anglais) est une importante tâche cryptographique qui se doit d’être résistante aux adversaires quantiques. Beaucoup d’avancées ont déjà été faites dans le domaine, en l’occurrence l’usage de la fibre optique qui a mené à l’implémentation réelle de protocoles QKD. Par contre, l’obstacle qui continue de limiter tout progrès est la distance. Celle-ci hausse exponentiellement les erreurs introduites dans l’échange dépassant facilement les taux maximum tolérés actuels après quelques centaines de kilomètres seulement. De ce fait, bien que la théorie semble prometteuse, la mise en pratique de protocoles quantiques demeure un défi. Pour viser l’application mondiale, nous nous devons de prioriser l’efficacité. Ce mémoire présente une variation du fameux protocole BB84 pour maximiser la perfor- mance des applications de QKD en augmentant le taux d’erreurs toléré et, en l’occurrence, la distance entre les partis. Un satellite sera introduit comme troisième parti. Il aidera Alice et Bob à partager une chaine secrète. Celle-ci leur permettra de rouler le protocole BB84 sans dévoiler les bases. De plus, deux techniques seront définies, soient le filtrage et la concentration. Ces dernières serviront lors de la communication classique interactive pour diminuer l’erreur entre nos deux individus tout en limitant le gain d’information de leur ad- versaire. Les bénéfices de cette modification sont la possibilité de recycler les bases secrètes du protocole ainsi que la possibilité d’étendre d’avantage la longueur du canal atteignant ainsi l’objectif de pousser les limites pratiques de QKD. / We are currently sailing on the second quantum revolution wave towards an ocean of pos- sibilities. The long awaited quantum computer is near and it will affect global security as we know it. It is a race against the clock to update our entire communication network to maintain the right to personal privacy. An important cryptographic task is key establish- ment. While communicating privately, the entire security lies mainly in the security of the key used. Therefore, it is crucial that future protocols for key establishment be resistant against quantum adversaries. Over the years, there has been great progress in the field like the practical use of optical fibre leading to quantum key distribution (QKD) protocols implemented in real life. Despite this, a specific obstacle still remains. Distance poses a serious problem as it increases ex- ponentially the amount of errors introduced in the protocol, meaning we easily exceed the maximum rate that we can currently tolerate after only a few hundred kilometers. Hence, what we do in theory may sound promising, but the actual application in reality remains a challenge. To aim for global use, we need to prioritize efficiency. This thesis suggests an alternative to the renowned BB84 protocol to help maximize applications of quantum key distribution by increasing the tolerated error rate and thus, the distance between two parties. A satellite will be introduced as a third party to help Alice and Bob share a secret bit sequence. This bit string will allow them to run a BB84 protocol without revealing the bases. Then, two techniques will be defined: filtering and concentration. They will serve in the classical communication phase to help lower the error rate between our two parties while also limiting the amount of information gained by the adversary. Benefits from this approach are the recycling of the secret bases of the protocol as well as the possible extension of the length of the channel, thus achieving the end goal of pushing the limits of practical implementation of QKD.

Cette thèse présente la poursuite des travaux grenoblois de développement des Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) de types S/Al-AlO_x-Al/S pour le comptage de photons individuels en vue d'applications astronomiques dans l'infrarouge proche. La couche supraconductrice S, en niobium ou en tantale dans notre cas, est photo-absorbante et permet la conversion de l'énergie d'un photon incident en une population de charges excitées dont le nombre est proportionnel à l'énergie déposée et la durée de vie suffisante pour qu'elles soient comptées par effet tunnel. Il suffit pour cela de polariser en tension des jonctions à très basse température (100mK) et d'intégrer les impulsions de courant tunnel photo-induit pour évaluer l'énergie absorbée. L'intérêt des JSET pour la détection lumineuse est discuté dans le premier chapitre au travers de la comparaison des techniques performantes actuelles, aussi bien à base de supraconducteurs (Bolomètres à transition supraconductrice, Bolomètres à électrons chauds) que classiques (Photo-Diodes à Avalanche, Photo-Multiplicateurs, CCD et CMOS). Au démarrage de cette thèse, un procédé de fabrication avait permis d'obtenir des jonctions à base de niobium de bonne qualité et des résultats préliminaires en comptage de photons. L'objectif double était de passer à des jonctions à base de tantale, intrinsèquement plus sensibles, avec un nouveau procédé de fabrication collective plus performant. Dans un premier temps nous avons optimisé la qualité cristalline du dépôt de tantale. Les analyses structurales par rayons X montrent que ces films, déposés par pulvérisation cathodique magnétron à 600$^o$C sur substrat saphir plan-R recouvert d'une sous couche de Nb sont épitaxiés suivant l'axe (100). Les mesures de transport électrique à basse température donnent d'excellents rapports résistifs relatifs (de l'ordre de 45) conduisant à des libres parcours moyens de l'ordre de 100 nm. Dans un second temps, un nouveau procédé original de fabrication collective des jonctions a été imaginé et un jeu de 5 masques a été réalisé. Ces masques permettent la réalisation de jonctions individuelles de différentes tailles (de 25 par 25 à 50 par 50 microns carrés) et formes (quelques dispositifs ont une géométrie en losange ou en forme sinusoïdale). Ils autorisent aussi la réalisation de jonctions multiples sur un absorbeur commun ou de réseau de 9 jonctions (pixels). Le développement de ce procédé et sa fiabilisation ont permis d'obtenir un très fort pourcentage ( >90$%) de jonctions de qualité. Nous avons ainsi obtenu d'excellentes résistances normales de quelques microohm.cm^2 et de faible courant de fuite sous le gap de l'ordre du nA. Enfin, nous avons mis en évidence le fonctionnement de ces dispositifs en comptage de photons à la frontière du visible et de l'infrarouge proche (0,78 micron de longueur d'onde). Et même si une meilleure résolution énergétique requiert encore quelques adaptations expérimentales, les détecteurs obtenus sont particulièrement prometteurs pour l'astronomie au sol, des rayons X à l'infrarouge, aussi bien que pour les télécommunications à 1,55 micron où les possibilités des JSET restent sans équivalent.

Le but de cette thèse est de développer des sources d'intrication photonique pour étudier les réseaux de communication quantique et l'optique quantique fondamentale. Trois sources très performantes sont construites uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. La première source génère de l'intrication en polarisation via une séparation deterministe des paires de photons dans deux canaux adjacents des télécommunications. Cette source est donc naturellement adaptée à la cryptographie quantique dans les réseaux à multiplexage en longueurs d'ondes. La seconde source génère, pour la première fois, de l'intrication en time-bins croisés, autorisant l'implémentation de crypto-systèmes quantiques à base d'analyseurs passifs uniquement. La troisième source génère, avec une efficacité record, de l'intrication en polarisation via un convertisseur d'observable temps/polarisation. La bande spectrale des photons peut être choisie sur plus de cinq ordres de grandeur (25 MHz - 4 THz), rendant la source compatible avec toute une variété d'applications avancées, telles que la cryptographie, les relais et les mémoires quantiques. Par ailleurs, cette source est utilisée pour revisiter la notion de Bohr sur la complémentarité des photons uniques en employant un interféromètre de Mach-Zehnder dont la lame s ́eparatrice de sortie se trouve dans une superposition quantique d'être à la fois présente et absente. Enfin, pour adapter la longueur d'onde des paires des photons télécoms intriqués vers les longueurs d'ondes d'absorption des mémoires quantiques actuelles, un convertisseur cohérent de longueur d'onde est présenté et discuté.

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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. / Quantum computing allows us to revisit the study of quantum cryptographic primitives with information theoretic security. In 1984, Bennett and Brassard presented a protocol of quantum key distribution. In this protocol, Alice and Bob cooperate in order to share a common secret key k, which has to be unknown for a third party that has access to the communication channel. They showed how to perform this task quantumly with an information theoretic security; which is impossible classically.In my thesis, I study cryptographic primitives with two players that do not trust each other. I study mainly coin flipping and bit commitment. Classically, both these primitives are impossible classically with information theoretic security. Quantum protocols for these primitives where constructed where cheating players could cheat with probability stricly smaller than 1. However, Lo, Chau and Mayers showed that these primitives are impossible to achieve perfectly even quantumly if one requires information theoretic security. I study to what extent imperfect protocols can be done in this setting.In the first part, I construct a quantum coin flipping protocol with cheating probabitlity of 1/root(2) + eps for any eps > 0. This completes a result by Kitaev who showed that in any quantum coin flipping protocol, one of the players can cheat with probability at least 1/root(2). I also constructed a quantum bit commitment protocol with cheating probability 0.739 + eps for any eps > 0 and showed that this protocol is essentially optimal. I also derived some upper and lower bounds for quantum oblivious transfer, which is a universal cryptographic primitive.In the second part, I study some practical aspects related to these primitives. I take into account losses than can occur when measuring a quantum state. I construct a Quantum Coin Flipping and Quantum Bit Commitment protocols which are loss-tolerant and have cheating probabilities of 0.859. I also construct these primitives in the device independent model, where the players do not trust their quantum device. Finally, in the third part, I study these cryptographic primitives with information theoretic security. More precisely, I study the relationship between computational quantum bit commitment and quantum zero-knowledge protocols.

<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