Title: Logic and cryptography Author: Bc.Vojtěch Wagner Department: Department of Algebra Supervisor: prof. RNDr. Jan Krajíček, DrSc. Abstract: This work is devoted to a study of a formal method of formalization of cryptographic constructions. It is based on defining a multi-sorted formal logic theory T composed of strings, integers and objects of sort k - k-ary functions. We allow some operations on them, formulate axioms, terms and formulas. We also have a special type of integers called the counting integers. It denotes the number of x from a given interval satisfying formula ϕ(x). It allows us to talk about probabilities and use terms of probability theory. The work first describes this theory and then it brings a formalization of the Goldreich-Levin theorem. The goal of this work is to adapt all needed cryptographic terms into the language of T and then prove the theorem using objects, rules and axioms of T. Presented definitions and principles are ilustrated on examples. The purpose of this work is to show that such theory is sufficiently strong to prove such cryptographic constructions and verify its correctness and security. Keywords: cryptography, protocol verifying, Soundness theorem, formal logic theory, the Goldreich-Levin theorem 1

Aujourd’hui, le renforcement de la sécurité des systèmes de communications devient une nécessité, par anticipation du développement des ordinateurs quantiques et des nouvelles attaques qui en découleront. Cette thèse explore deux techniques complémentaires permettant d’assurer la confidentialité des données transmises sur des liens sans-fils. Dans la première partie de ce travail, nous nous intéressons au schéma de cryptographie à clé publique basée sur des réseaux de points, qui représente une des techniques les plus prometteuses pour la cryptographie post-quantique. En particulier, nous considérons le cryptosystème Goldreich-Goldwasser-Halevi (GGH), pour lequel nous proposons un nouveau schéma utilisant les GLD. Dans la seconde partie de ce travail, nous étudions la sécurité des canaux de diffusion multi-utilisateur, ayant accès à des mémoires de caches, en présence d'un espion. Nous considérons deux contraintes de sécurité: la contrainte de sécurité individuelle et la contrainte de sécurité jointe. Nous dérivons des bornes supérieure et inférieure pour le compromis sécurisé capacité-mémoire en considérant différentes distributions de cache. Afin d'obtenir la borne inférieure, nous proposons plusieurs schémas de codage combinant codage wiretap, codage basé sur la superposition et codage piggyback. Nous prouvons qu'il est plus avantageux d'allouer la mémoire de cache aux récepteurs les plus faibles. / Today, there is a real need to strengthen the communication security to anticipate the development of quantum computing and the eventual attacks arising from it. This work explores two complementary techniques that provide confidentiality to data transmitted over wireless networks. In the first part, we focus on lattice-based public-key cryptography, which is one of the most promising techniques for the post-quantum cryptography systems. In particular, we focus on the Goldreich-Goldwasser-Halevi (GGH) cryptosystem, for which we propose a new scheme using GLD lattices. In the second part of this work, we study the security of multi-user cache-aided wiretap broadcast channels (BCs) against an external eavesdropper under two secrecy constraints: individual secrecy constraint and joint secrecy constraint. We compute upper and lower bounds on secure capacity-memory tradeoff considering different cache distributions. To obtain the lower bound, we propose different coding schemes that combine wiretap coding, superposition coding and piggyback coding. We prove that allocation of the cache memory to the weaker receivers is the most beneficial cache distribution scenario.