Cette thèse comporte trois volets indépendants en cryptographie, en théorie de Hodge p-adique et en analyse numérique.La première partie consiste en l'étude d'algorithmes performants de résolution du logarithme discret. La résolution du logarithme discret consiste à déterminer les exposants d'une famille fixée de générateurs dans la décomposition des éléments du groupe. Dans le cas des groupes multiplicatifs d'un corps fini, la complexité des calculs dépendent de la taille - dite de petite, moyenne ou grande caractéristique- de la caractéristique du corps dans lesquels on effectue les calculs.Nous présentons différents algorithmes dans chacune des caractéristiques (petite, moyenne ou grande) en précisant quel est l'algorithme le plus performant dans chacun des cas.La seconde partie s'inscrit dans le contexte du programme de Langlands p-adique. Nous présentons une généralisation de l'un des outils centraux de la théorie, les modules de Breuil-Kisin, en plusieurs variables La troisième partie est un travail effectué en collaboration avec Victor Vilaça Da Rocha, Roberta Tittarelli, Richard Sambilason Rafefimanana, Victor Michel-Dansac et Benjamin Couéraud. Il a été initié lors de la treizième SEME, Semaine d'Etudes Maths Entreprises organisée par l'Agence pour les Mathématiques en Interaction avec l'Entreprise et la Société (AMIES).L'Institut Français du Pétrole et des Energies Nouvelles nous a soumis un problème de résolution numérique d'un système d'équations modélisant la désorption d'un gaz de schiste en une dimension.Nous proposons plusieurs schémas du premier ordre recourant à un traitement implicite de l'équation de relaxation. Enfin nous présentons un schéma numérique d'ordre deux en temps. / In this thesis, we present three independent works in cryptography, p-adic Hodge theory and Numerical analysis.First we present several algorithms to solve the discrete logarithm in several characteristic finite fields. We are particularly interested with the determination of classes of polynomial functions with small coefficients.The second part of the thesis deals with one of the major object of p-adic Hodge theory. We present a multi-variable version of Breuil-Kisin modules where the Lubin-Tate tower replaces the classical cyclotomic tower. He third proposes two numerical schemes for the modelisation of desorption of shale gaz.

Computing discrete logarithms is a long-standing algorithmic problem, whose hardness forms the basis for numerous current public-key cryptosystems. In the case of finite fields of small characteristic, however, there has been tremendous progress recently, by which the complexity of the discrete logarithm problem (DLP) is considerably reduced. This habilitation thesis on the DLP in such fields deals with two principal aspects. On one hand, we develop and investigate novel efficient algorithms for computing discrete logarithms, where the complexity analysis relies on heuristic assumptions. In particular, we show that logarithms of factor base elements can be computed in polynomial time, and we discuss practical impacts of the new methods on the security of pairing-based cryptosystems. While a heuristic running time analysis of algorithms is common practice for concrete security estimations, this approach is insufficient from a mathematical perspective. Therefore, on the other hand, we focus on provable complexity results, for which we modify the algorithms so that any heuristics are avoided and a rigorous analysis becomes possible. We prove that for any prime field there exist infinitely many extension fields in which the DLP can be solved in quasi-polynomial time. Despite the two aspects looking rather independent from each other, it turns out, as illustrated in this thesis, that progress regarding practical algorithms and record computations can lead to advances on the theoretical running time analysis -- and the other way around. / Die Berechnung von diskreten Logarithmen ist ein eingehend untersuchtes algorithmisches Problem, dessen Schwierigkeit zahlreiche Anwendungen in der heutigen Public-Key-Kryptographie besitzt. Für endliche Körper kleiner Charakteristik sind jedoch kürzlich erhebliche Fortschritte erzielt worden, welche die Komplexität des diskreten Logarithmusproblems (DLP) in diesem Szenario drastisch reduzieren. Diese Habilitationsschrift erörtert zwei grundsätzliche Aspekte beim DLP in Körpern kleiner Charakteristik. Es werden einerseits neuartige, erheblich effizientere Algorithmen zur Berechnung von diskreten Logarithmen entwickelt und untersucht, wobei die Laufzeitanalyse auf heuristischen Annahmen beruht. Unter anderem wird gezeigt, dass Logarithmen von Elementen der Faktorbasis in polynomieller Zeit berechnet werden können, und welche praktischen Auswirkungen die neuen Verfahren auf die Sicherheit paarungsbasierter Kryptosysteme haben. Während heuristische Laufzeitabschätzungen von Algorithmen für die konkrete Sicherheitsanalyse üblich sind, so erscheint diese Vorgehensweise aus mathematischer Sicht unzulänglich. Der Aspekt der beweisbaren Komplexität für DLP-Algorithmen konzentriert sich deshalb darauf, modifizierte Algorithmen zu entwickeln, die jegliche heuristische Annahme vermeiden und dessen Laufzeit rigoros gezeigt werden kann. Es wird bewiesen, dass für jeden Primkörper unendlich viele Erweiterungskörper existieren, für die das DLP in quasi-polynomieller Zeit gelöst werden kann. Obwohl die beiden Aspekte weitgehend unabhängig voneinander erscheinen mögen, so zeigt sich, wie in dieser Schrift illustriert wird, dass Fortschritte bei praktischen Algorithmen und Rekordberechnungen auch zu Fortentwicklungen bei theoretischen Laufzeitabschätzungen führen -- und umgekehrt.

Le problème du logarithme discret est une brique fondamentale de nombreux protocoles de communication sécurisée. Son instantiation sur les courbes elliptiques a permis, grâce à la petite taille des opérandes considérées, le déploiement de primitives asymétriques efficaces sur des systèmes embarqués. De nos jours, les cryptosystèmes utilisant des courbes elliptiques, aussi appelées courbes de genre 1, sont déjà intensément utilisés: il est donc impératif de savoir estimer précisément la robustesse de ces systèmes. L'existence d'attaques mathématiques permettant de transférer un problème de logarithme discret elliptique dans un autre type de courbe algébrique, et la nouvelle compétitivité des courbes de genre 2 imposent de ne pas se restreindre à la seule compréhension du problème sur les courbes elliptiques.Dans cette optique, le sujet de cette thèse se concentre sur les attaques algébriques sur les courbes de genre supérieur à 1. Les algorithmes de type calcul d'indice sont en général préférés pour ce genre d'attaque. Ces algorithmes se déroulent en deux phases: la première, appelée phase de récolte, dispose de nombreuses modélisations algébriques dépendant de la courbe ciblée. Le problème sous-jacent revient à savoir décomposer efficacement des points dans la variété Jacobienne de la courbe en somme d'autres points.On propose dans un premier temps une approche par crible pour la phase de récolte, s'adaptant à tous les types de courbes de genre plus grand que 1, et qui est expérimentalement plus efficaces que les méthodes de l'état de l'art. Cette méthode a l'avantage de proposer une implémentation immédiate, et évite les problèmes usuels de gestion des relations obtenues.Ensuite, on se concentre les variantes de calcul d'indice appelées attaques par décomposition, et ciblant les courbes définies sur des extensions de corps. Dans cette situation, la phase de récolte est effectuée par résolution de nombreux systèmes polynomiaux multivariés. On propose une nouvelle approche de modélisation de ces systèmes, en généralisant la notion de polynômes de sommation elliptique à tout les types de courbes algébriques. Pour cela on fait appel à la théorie de l'élimination, tandis que l'aspect pratique est gérée par des méthodes de bases de Gröbner.Enfin, on fournit des algorithmes d'amélioration du processus de résolution des systèmes lorsque la caractéristique du corps de base est paire. Par le biais d'une présentation théorique générale et en utilisant des méthodes de bases de Gröbner, on propose une analyse fine de l'impact de ces améliorations sur la complexité de la résolution. Cette analyse fine, ainsi qu'une implémentation dédiée, nous permettent d'attaquer une courbe de genre 2 satisfaisant des bornes de sécurité réaliste en pratique. / The discrete logarithm problem is a fundamental brick for several protocols for secured communications. Its instantiation over elliptic curves allows the deployment of efficient asymmetric primitives in embedded systems, because of the small size of the parameters considered. Nowadays, elliptic curves cryptosystems are already widely used: it is therefore crucial to precisely understand the hardness of such systems. Because of the existence of mathematical attacks enabling the transfer from an elliptic curve discrete logarithm problem to another algebraic curve, and the upcoming competitivity of genus 2 curves, it is mandatory to study the problem not only for elliptic curves, but for the other curves as well.In this way, this thesis focuses on the algebraic attacks over curves with genus greater than 1. The index calculus family of algorithms is in general preferred for this kind of attacks. Those algorithms run in two phases: the first, called harvesting phase, can be modelled by different algebraic approaches, depending in the targetted curve. The underlying problem amounts to knowing how to decompose efficiently points in the Jacobian variety of the curve into sums of other points.First, we propose a sieving approach to the harvesting, that can be adated to any type of curves with genus greater than 1, and which turns to be experimentally more efficient than state-of-the-art's methods. Moreover, our method allows a close-to-immediate implementation, and avoid complications coming from relations management.Our second focus is on a variant of index calculus called decomposition attack, targetting curves defined over field extensions. In this situation, harvesting is done by solving numerous multivariate polynomial systems. We propose a new approach to this modelling by generalizing the notion of elliptic summation polynomias to any type of algebraic curves. This uses elimination theory, and the computational aspect is handled by Gröbner bases methods.Third, we give algorithms to improve the solving process of the systems arising from a decomposition attacks when the characteristic of the base field is even. By mean of a general theoretical presentation, and using Gröbner bases methods, we give a sharp analysis of the impact of such improvement on the complexity of the resolution process. This sharp analysis together with a dedicated implementation allows us to attack a genus 2 curve satisfying realistic security parameters.

This master thesis is about Elliptic Curve Digital Signature Algorithm or ECDSA and two of the known attacks on this security system. The purpose of this thesis is to find points that are likely to be points of high order on an elliptic curve. If we have a point P of high order and if Q = mP, then we have a large set of possible values of m. Therefore it is hard to solve the Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem or ECDLP. We have investigated on the time of finding the solution of ECDLP for a certain amount of elliptic curves based on the order of the point which is used to create the digital signatures by those elliptic curves. Method: Algebraic Structure of elliptic curves over finite fields and Discrete logarithms. This has been done by two types of attacks namely Baby Step, Giant Step and Pollard’s Rho and all of the programming parts has been done by means of Mathematica. Conclusion: We have come into a conclusion of having the probable good points which are the points of high order on elliptic curves through the mentioned attacks in which solving the ECDLP is harder if these points have been used in generating the digital signature. These probable good points can be estimated by means of a function we have come up with. The input of this function is the order of the point and the output is the time of finding the answer of ECDLP.

Cryptosystems based on elliptic curves are in wide-spread use, they are considered secure because of the difficulty to solve the elliptic curve discrete logarithm problem. Pollard's rho method is regarded as the best method for attacking the logarithm problem to date, yet it is still not efficient enough to break an elliptic curve cryptosystem. This is because its time complexity is O(√n) and for uses in cryptography the value of n will be very large. The objective of this thesis is to see if there are ways to improve Pollard's rho method. To do this, we study some modifications of the original functions used in the method. We also investigate some different functions proposed by other researchers to see if we can find a version that will improve the performance. From the experiments conducted on these modifications and functions, we can conclude that we get an improvement in the performance for some of them.

La sécurité des systèmes cryptographiques à clef publique repose sur la difficulté de résoudre certains problèmes mathématiques, parmi lesquels se trouve le problème du logarithme discret sur les corps finis GF(p^n). Dans cette thèse, nous étudions les variantes de l’algorithme de crible algébrique, number field sieve (NFS) en anglais, qui résolvent le plus rapidement ce problème, dans le cas où la caractéristique du corps est dite moyenne. NFS peut être divisé en quatre étapes principales : la sélection polynomiale, la recherche de relations, l’algèbre linéaire et le calcul d’un logarithme individuel. Nous décrivons ces étapes, en insistant sur la recherche de relations, une des étapes les plus coûteuses. Une des manières efficaces de réaliser cette étape est d’utiliser des algorithmes de crible. Contrairement au cas classique où la recherche de relations est réalisée dans un espace à deux dimensions, les corps finis que nous ciblons requièrent une énumération d’éléments dans un espace de plus grande dimension pour atteindre la meilleure complexité théorique. Il existe des algorithmes de crible efficaces en deux dimensions, mais peu pour de plus grandes dimensions. Nous proposons et analysons deux nouveaux algorithmes de crible permettant de traiter n’importe quelle dimension, en insistant particulièrement sur la dimension trois. Nous avons réalisé une implémentation complète de la recherche de relations pour plusieurs variantes de NFS en dimensions trois. Cette implémentation, qui s'appuie sur nos nouveaux algorithmes de crible, est diffusée au sein du logiciel CADO-NFS. Nous avons pu valider ses performances en nous comparant à des exemples de la littérature. Nous avons également été en mesure d’établir deux nouveaux records de calcul de logarithmes discrets, l'un dans un corps GF(p^5) de taille 324 bits et l'autre dans un corps GF(p^6) de taille 422 bits / The security of public-key cryptography relies mainly on the difficulty to solve some mathematical problems, among which the discrete logarithm problem on finite fields GF(p^n). In this thesis, we study the variants of the number field sieve (NFS) algorithm, which solve the most efficiently this problem, in the case where the characteristic of the field is medium. The NFS algorithm can be divided into four main steps: the polynomial selection, the relation collection, the linear algebra and the computation of an individual logarithm. We describe these steps and focus on the relation collection, one of the most costly steps. A way to perform it efficiently is to make use of sieve algorithms. Contrary to the classical case for which the relation collection takes place in a two-dimensional space, the finite fields we target require the enumeration of elements in a higher-dimensional space to reach the best theoretical complexity. There exist efficient sieve algorithms in two dimensions, but only a few in higher dimensions. We propose and study two new sieve algorithms allowing us to treat any dimensions, with an emphasis on the three-dimensional case. We have provided a complete implementation of the relation collection for some variants of the NFS in three dimensions. This implementation relies on our new sieve algorithms and is distributed in the CADO-NFS software. We validated its performances by comparing with examples from the literature. We also establish two new discrete logarithm record computations, one in a 324-bit GF(p^5) and one in a 422-bit GF(p^6)

Der Vortrag erläutert das Grundprinzip des Diffie-Hellman-Schlüsseltausches mithilfe des diskreten Logarithmus unter Zuhilfenahme elliptischer Kurven über endlichen Körpern.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2015-05-19T15:20:50Z No. of bitstreams: 2 arquivototal.pdf: 1103922 bytes, checksum: fee5e8830b60905917fc3ab1fb8c2aae (MD5) license_rdf: 22190 bytes, checksum: 19e8a2b57ef43c09f4d7071d2153c97d (MD5) / Approved for entry into archive by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2015-05-19T15:21:56Z (GMT) No. of bitstreams: 2 arquivototal.pdf: 1103922 bytes, checksum: fee5e8830b60905917fc3ab1fb8c2aae (MD5) license_rdf: 22190 bytes, checksum: 19e8a2b57ef43c09f4d7071d2153c97d (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-19T15:21:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivototal.pdf: 1103922 bytes, checksum: fee5e8830b60905917fc3ab1fb8c2aae (MD5) license_rdf: 22190 bytes, checksum: 19e8a2b57ef43c09f4d7071d2153c97d (MD5) Previous issue date: 2013-08-13 / The encryption algorithm written by Egyptian Taher ElGamal computes discrete logarithms with elements of a finite group G Cyclical. These elements have properties that during the study Chapter 1. Knowing the definitions and some properties studied, we can define and compute discrete logarithms, using knowledge of arithmetic and congruence of Remains and Theorem Remainder of Chinese. We will study public key algorithms, in particular the algorithm written by ElGamal, seeking to understand the diffculties presented by it and show its applications in the field of cryptography. We present a sequence of activities, aimed at students of the first grade of high school, targeting the learning of some subjects covered at work. / O algoritmo de criptografia escrito pelo egípcio Taher ElGamal calcula logaritmos discretos com elementos de um Grupo Cíclico finito G. Esses elementos possuem propriedades que estudaremos no decorrer do capítulo 1. Conhecendo as definições e algumas propriedades estudadas, poderemos definir e calcular logaritmos discretos, utilizando conhecimentos da Aritmética dos Restos e Congruências, bem como o Teorema Chinês dos Restos. Vamos estudar algoritmos de chave pública, em particular o algoritmo escrito por ElGamal, buscando entender as dificuldades apresentadas por ele e mostrar suas aplicações no campo da Criptografia. Apresentaremos uma sequencia de atividades, voltadas para estudantes do primeiro ano do Ensino Médio, visando o aprendizado de alguns assuntos abordados no trabalho.

La cryptologie consiste en l’étude des techniques utilisées par deux entités pour communiquer en secret en présence d’une troisième. Les propriétés mathématiques qui sous-tendent ces techniques garantissent que leur attaque reste infaisable en pratique par un adversaire malveillant. Ainsi, les protocoles s’appuient sur diverses hypothèses, comme la di fficulté présumée de factoriser des entiers ou de calculer le logarithme discret d’un élément arbitraire dans certains groupes. Cette thèse qui porte sur le problème du logarithme discret dans les corps finis s’articule autour de trois volets.Nous exposons les résultats théoriques associés au problème sans considération du groupe cible, détaillant ainsi les classes de complexité auxquelles il appartient ainsi que di fférentes approches pour tenter de le résoudre.L’étude du problème dans les corps finis commence en tant que telle par les corps présentant une caractéristique de petite taille relativement à l’ordre total du corps en question. Cette seconde partie résulte sur l’exposition d’un algorithme par représentation de Frobenius dont une application a aboutit au record actuel de calcul de logarithme discret en caractéristique 3.Pour les corps de moyenne ou grande caractéristiques, une autre méthode est requise. Le crible par corps de nombres (NFS) multiples obtient les complexités asymptotiques les plus basses pour un corps arbitraire. Un dernier chapitre introduit la notion de matrice presque creuse. L’élaboration d’un nouvel algorithme spécifique qui explicite le noyau d’une telle matrice facilite en pratique l’étape d’algèbre sous-jacente à toute variante de NFS. / Cryptography is the study of techniques for secure communication in the presence of third parties, also called adversaries. Such techniques are detailed in cryptosystems, explaining how to securely encode and decode messages. They are designed around computational hardness assumptions related to mathematical properties, making such algorithms hard to break in practice by any adversary. These protocols are based on the computational difficulty of various problems which often come from number theory, such as integer factorization or discrete logarithms computations. This manuscript focuses on the discrete logarithm problem in finite fields and revolves around three axes.First we detail classical results about the problem without any consideration to the target group. We deal with complexity classes and some general methods that do not need any information on the group.The study of the discrete logarithm problem in finite fields starts with small characteristic ones. The aim is to present a Frobenius representation algorithm that leads to the current discrete logarithm record in characteristic 3.For medium or large characteristics finite fields, another approach is required. The multiple number field sieve reaches the best asymptotic heuristic complexities for this double range of characteristics. We also introduce the notion of nearly sparse matrices. Designing a new algorithm dedicated to explicitly give the kernel of such a matrix eases in practice the linear algebra step of any variant of the number field sieve.

There has been a rapid increase interest in computational number theory ever since the invention of public-key cryptography. Various attempts to solve the underlying hard problems behind public-key cryptosystems has led to interesting problems in computational number theory. One such problem, called the cubic sieve congruence problem, arises in the context of the cubic sieve method for solving the discrete logarithm problem in prime fields. The cubic sieve method requires a nontrivial solution to the Cubic Sieve Congruence (CSC)x3 y2z (mod p), where p is a given prime. A nontrivial solution must satisfy x3 y2z (mod p), x3 ≠ y2z, 1≤ x, y, z < pα , where α is a given real number ⅓ < α ≤ ½. The CSC problem is to find an efficient algorithm to obtain a nontrivial solution to CSC. This thesis is concerned with the CSC problem. Recently, the parametrization x y2z (mod p) and y υ3z (mod p) of CSC was introduced. We give a deterministic polynomial-time (O(ln3p) bit-operations) algorithm to determine, for a given υ, a nontrivial solution to CSC, if one exists. Previously it took Õ(pα) time to do this. We relate the CSC problem to the gap problem of fractional part sequences. We also show in the α = ½ case that for a certain class of primes the CSC problem can be solved deterministically Õ(p⅓) time compared to the previous best of Õ(p½). It is empirically observed that about one out of three primes are covered by this class, up to 109