Using pencils of quadrics, we study a construction of torsors of Jacobians of hyperelliptic curves twice of which is Pic^1. We then use this construction to study the arithmetic invariant theory of the actions of SO2n+1 and PSO2n+2 on self-adjoint operators and show how they facilitate in computing the average order of the 2-Selmer groups of Jacobians of hyperelliptic curves with a rational Weierstrass point, and the average order of the 2-Selmer groups of Jacobians of hyperelliptic curves with a rational non-Weierstrass point, over arbitrary number fields. / Mathematics

In this thesis, we study the Hasse principle for curves and K3 surfaces. We give several sufficient conditions under which the Brauer-Manin obstruction is the only obstruction to the Hasse principle for curves and K3 surfaces. Using these sufficient conditions, we construct several infinite families of curves and K3 surfaces such that these families are counterexamples to the Hasse principle that are explained by the Brauer-Manin obstruction.

Le comptage de points de courbes algébriques est une primitive essentielle en théorie des nombres, avec des applications en cryptographie, en géométrie arithmétique et pour les codes correcteurs. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement au cas de courbes hyperelliptiques définies sur des corps finis de grande caractéristique $p$. Dans ce cas de figure, les algorithmes dérivés de ceux de Schoof et Pila sont actuellement les plus adaptés car leur complexité est polynomiale en $\log p$. En revanche, la dépendance en le genre $g$ de la courbe est exponentielle et se fait cruellement sentir même pour $g=3$. Nos contributions consistent principalement à obtenir de nouvelles bornes pour la dépendance en $g$ de l'exposant de $\log p$. Dans le cas de courbes hyperelliptiques, de précédents travaux donnaient une borne quasi-quadratique que nous avons pu ramener à linéaire, et même constante dans le cas très particuliers de familles de courbes dites à multiplication réelle (RM). En genre $3$, nous avons proposé un algorithme inspiré de ceux de Schoof et de Gaudry-Harley-Schost dont la complexité, en général prohibitive, devient très raisonnable dans le cas de courbes RM. Nous avons ainsi pu réaliser des expériences pratiques et compter les points d'une courbe hyperelliptique de genre $3$ pour un $p$ de 64 bits / Counting points on algebraic curves has drawn a lot of attention due to its many applications from number theory and arithmetic geometry to cryptography and coding theory. In this thesis, we focus on counting points on hyperelliptic curves over finite fields of large characteristic $p$. In this setting, the most suitable algorithms are currently those of Schoof and Pila, because their complexities are polynomial in $\log q$. However, their dependency in the genus $g$ of the curve is exponential, and this is already painful even in genus 3. Our contributions mainly consist of establishing new complexity bounds with a smaller dependency in $g$ of the exponent of $\log p$. For hyperelliptic curves, previous work showed that it was quasi-quadratic, and we reduced it to a linear dependency. Restricting to more special families of hyperelliptic curves with explicit real multiplication (RM), we obtained a constant bound for this exponent.In genus 3, we proposed an algorithm based on those of Schoof and Gaudry-Harley-Schost whose complexity is prohibitive in general, but turns out to be reasonable when the input curves have explicit RM. In this more favorable case, we were able to count points on a hyperelliptic curve defined over a 64-bit prime field

Security issues play an important role in almost all modern communication and computer networks. As Internet applications continue to grow dramatically, security requirements have to be strengthened. Hyperelliptic curve cryptosystems (HECC) allow for shorter operands at the same level of security than other public-key cryptosystems, such as RSA or Diffie-Hellman. These shorter operands appear promising for many applications. Hyperelliptic curves are a generalization of elliptic curves and they can also be used for building discrete logarithm public-key schemes. A major part of this work is the development of computer architectures for the different algorithms needed for HECC. The architectures are developed for a reconfigurable platform based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). FPGAs combine the flexibility of software solutions with the security of traditional hardware implementations. In particular, it is possible to easily change all algorithm parameters such as curve coefficients and underlying finite field. In this work we first summarized the theoretical background of hyperelliptic curve cryptosystems. In order to realize the operation addition and doubling on the Jacobian, we developed architectures for the composition and reduction step. These in turn are based on architectures for arithmetic in the underlying field and for arithmetic in the polynomial ring. The architectures are described in VHDL (VHSIC Hardware Description Language) and the code was functionally verified. Some of the arithmetic modules were also synthesized. We provide estimates for the clock cycle count for a group operation in the Jacobian. The system targeted was HECC of genus four over GF(2^41).

Ce travail se divise en deux parties. Dans la première partie, nous généralisons le travail de Khuri-Makdisi qui décrit des algorithmes pour l'arithmétique des diviseurs sur une courbe sur un corps. Nous montrons que les analogues naturelles de ses résultats se vérifient pour les diviseurs de Cartier relatifs effectifs sur un schéma projectif, lisse et de dimension relative un sur un schéma affine noetherien quelconque, et que les analogues naturelles de ses algorithmes se vérifient pour une certaine classe d'anneaux de base. Nous présentons un formalisme pour tels anneaux qui sont caractérisés par l'existence d'un certain sous-ensemble des opérations standards de l'algèbre linéaire pour les modules projectifs sur ces anneaux.Dans la deuxième partie de ce travail, nous considérons un type de problème de Riemann-Roch pour les diviseurs sur certaines surfaces algébriques. Plus précisément, nous analysons les surfaces algébriques qui émanent d'un produit ou d'un produit symétrique d'une courbe hyperelliptique de genre supérieur à un sur un corps (presque) arbitraire. Les résultats principaux sont une décomposition des espaces de sections globales de certains diviseurs sur telles surfaces et des formules explicites qui décrivent les dimensions des espaces de sections de ces diviseurs. Dans le dernier chapitre, nous présentons un algorithme qui produit une base pour l'espace de sections globales d'un tel diviseur. / The contribution of this thesis is divided naturally into two parts. In Part I we generalise the work of Khuri-Makdisi (2004) on algorithms for divisor arithmetic on curves over fields to more general bases. We prove that the natural analogues of the results of Khuri-Makdisi continue to hold for relative effective Cartier divisors on projective schemes which are smooth of relative dimension one over an arbitrary affine Noetherian base scheme and that natural analogues of the algorithms remain valid in this context for a certain class of base rings. We introduce a formalism for such rings,which are characterised by the existence of a certain subset of the usual linear algebra operations for projective modules over these rings.Part II of this thesis is concerned with a type of Riemann-Roch problem for divisors on certain algebraic surfaces. Specifically we consider algebraic surfaces arising as the square or the symmetric square of a hyperelliptic curve of genus at least two over an (almost) arbitrary field. The main results are a decomposition of the spaces of global sections of certain divisors on such surfaces and explicit formulæ for the dimensions of the spaces of sections of these divisors. In the final chapter we present an algorithm which generates a basis for the space of global sections of such a divisor.

Dans cette thèse, j'étudie deux aspects distincts de la cryptographie basée sur les courbes elliptiques et hyperelliptiques. Dans une première partie, je confronte deux méthodes de calcul de couplages, originales car ne reposant pas sur le traditionnel algorithme de Miller. Ainsi, dans [42], K. Stange calcula le couplage de Tate sur une courbe elliptique à partir d'un nouvel outil, les elliptic nets. Y. Uchida et S. Uchiyama généralisèrent ces objets au cas hyperelliptique ([47]), mais ne donnèrent un algorithme pour le calcul de couplages que dans le cas des courbes de genre 2. Mon premier travail dans cette thèse fut de donner cet algorithme pour le cas général. De leur côté, D. Lubicz et D. Robert donnèrent dans [28] une autre méthode de calcul de couplage, basée sur les fonctions thêta. Le second résultat de ma thèse est de réunifier ces deux méthodes : je montre que la formule de récurrence à la base des nets est une conséquence des formules d'addition des fonctions thêta utilisées dans l'algorithme de Lubicz et Robert. Dans la seconde partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'algorithme de calcul d'index attaquant le problème du logarithme discret sur les courbes elliptiques et hyperelliptiques. Dans le cas elliptique, une des étapes principales de cette attaque repose sur les polynômes de Semaev. Je donne une nouvelle construction ces polynômes en utilisant la fonction sigma de Weierstrass, pour pouvoir ensuite les généraliser pour la première fois au cas hyperelliptique. / In this thesis, I study two different aspects of elliptic and hyperelliptic curves based cryptography.In the first part, I confront two methods of pairings computation, whose original feature is that they are not based the traditional Miller algorithm. Therefore, in [42], K. Stange computed Tate pairings on elliptic curves using a new tool, the elliptic nets. Y. Uchida and S. Uchiyama generalized these objects to hyperelliptic case ([47]), but they gave an algorithm for pairing computation only for the genus 2 case. My first work in this thesis was to give this algorithm for the general case. Meanwhile, D. Lubicz and D. Robert gave in [28] an other pairing computation method, based on theta functions. The second result of my thesis is the reunification of these two methods : I show that the recurrence equation which is the basis of nets theory is a consequence of the addition law of theta functions used in the Lubicz and Robert’s algorithm. In the second part, I study the index calculus algorithm attacking the elliptic and hyperelliptic curve discrete logarithm problem. In the elliptic case, one of the main steps of this attack requires the Semaev polynomials. I reconstruct these polynomials using Weierstrass sigma function, with the purpose of giving their first hyperelliptic generalization.

Le logarithme discret sur les courbes elliptiques fournit la panoplie standard de la cryptographie à clé publique: chiffrement asymétrique, signature, authentification. Son extension à des courbes hyperelliptiques de genre supérieur se heurte à la difficulté de construire de telles courbes qui soient sécurisées. Dans cette thèse nous utilisons la théorie des fonctions thêta développée par Mumford pour construire des algorithmes efficaces pour manipuler les variétés abéliennes. En particulier nous donnons une généralisation complète des formules de Vélu sur les courbes elliptiques pour le calcul d'isogénie sur des variétés abéliennes. Nous donnons également un nouvel algorithme pour le calcul efficace de couplage sur les variétés abéliennes en utilisant les coordonnées thêta. Enfin, nous présentons une méthode de compression des coordonnées pour améliorer l'arithmétique sur les coordonnées thêta de grand niveau. Ces applications découlent d'une analyse fine des formules d'addition sur les fonctions thêta. Si les résultats de cette thèse sont valables pour toute variété abélienne, pour les applications nous nous concentrons surtout sur les jacobienne de courbes hyperelliptiques de genre~$2$, qui est le cas le plus significatif cryptographiquement. / The discrete logarithm on elliptic curves give the standard protocols in public key cryptography: asymmetric encryption, signatures, ero-knowledge authentification. To extends the discrete logarithm to hyperelliptic curves of higher genus we need efficient methods to generate secure curves. The aim of this thesis is to give new algorithms to compute with abelian varieties. For this we use the theory of algebraic theta functions in the framework of Mumford. In particular, we give a full generalization of Vélu's formulas for the computation of isogenies on abelian varieties. We also give a new algorithm for the computation of pairings using theta coordinates. Finally we present a point compression method to manipulate These applications follow from the analysis of Riemann relations on theta functions for the addition law. If the results of this thesis are valid for any abelian variety, for the applications a special emphasis is given to Jacobians of hyperelliptic genus~$2$ curves, since they are the most significantly relevant case in cryptography.

Dans cette thèse nous étudions la filtration par le poids sur la cohomologie de De Rham d’une courbe hyperelliptique C définie sur une extension finie de Qp et à réduction semi-stable. L’objectif est de fournir des algorithmes calculant explicitement, étant donné une équation de C, les bases des crans de la filtration par le poids ainsi que la matrice de l’accouplement de Poincaré. Dans le premier chapitre, nous mettons en place des outils relatifs à la cohomologie de De Rham algébrique de la courbe hyperelliptique. Nous construisons une base adaptée de la cohomologie de De Rham de C, nous établissons une formule explicite pour le cup-produit et la trace, et enfin nous proposons un algorithme calculant la matrice de l’accouplement de Poincaré. Le deuxième chapitre est consacré à la description explicite de la flèche induite par l’inclusion du tube d’un point double sur les espaces de cohomologie. C’est l’ingrédient essentiel pour pouvoir décrire la filtration par le poids sur la cohomologie de De Rham de C. À cette fin nous nous plaçons dans le cadre de la géométrie analytique à la Berkovich et nous introduisons puis développons les notions de point résiduellement singulier standard et de forme apparente de l’équation de la courbe. Dans le troisième et dernier chapitre, nous faisons la synthèse des résultats obtenus et achevons la description de la filtration par le poids. Enfin, nous donnons les algorithmes calculant les bases de Fil0 et Fil1. Pour les algorithmes obtenus dans la thèse nous proposons une implémentation en sage, ainsi que des exemples concrets sur des courbes de genre un et deux. / In this thesis we study the weight filtration on the De Rham cohomology of an hyperelliptic curve C defined over a finite extension of Qp and with semi-stable reduction. The goal is to provide algorithms computing explicitly, given an equation of C, the basis of the weight filtration’s spaces as well as the matrix of the Poincaré pairing. In the first chapter we introduce tools related to the algebraic De Rham cohomology of the hyperelliptic curve. We build a suitable basis of the De Rham cohomology of C, we establish explicit formulae for the cup-product and the trace, and we give an algorithm computing the matrix of the Poincaré pairing. The second chapter is dedicated to the explicit description of the morphism induced by the inclusion of the tube of a double point on the cohomology spaces. It is the main ingredient that allows us to describe the weight filtration on the De Rham cohomology of C. To achieve that, we use the framework of the Berkovitch analytical geometry. We introduce and then we develop the notion of standard residually singular points and the notion of apparent form of the curve’s equation. In the third and last chapter, we synthesize all the results and we complete the description of the weight filtration. Finally, we give the algorithms that compute the basis of Fil0 and Fil1. For each of our algorithm, we propose a sage implementation and concrete examples on genus one and two curves.

Disertaciją sudaro darbai, autoriaus atlikti 2006-2013 metais. Šiuos darbus jungianti tema yra algebrinių kreivių, apibrėžtų virš racionaliųjų skaičių, šeimos, einančios per taškus, kurių koordinatės priklauso duotam skaičių kūnui ar jo sveikųjų skaičių žiedui. Pirmoje disertacijos dalyje yra gaunama vidutinio mažo aukščio racionaliųjų taškų kiekio ant fiksuoto žanro hiperelipsinių kreivių asimptotika. Antroje dalyje šis rezultatas išplečiamas, apibūdinant vidutinį homogeninių daugianarių reikšmių taškuose, kurių koordinatės yra mažo aukščio tarpusavyje pirminiai skaičiai, sutampančių su duoto vieno kintamojo daugianario reikšmėmis sveikuosiuose taškuose, skaičių. Trečioje dalyje sukonstruojamos nedidelės kreivių, apibrėžtų virš racionaliųjų skaičių ir išvengiančių taškų, kurių koordinatės priklauso duotam skaičių kūnui, šeimos. Ketvirtoje dalyje nagrinėjamos kongruenčių skaičių kreivės. Įrodoma, kad bent pusė pirminių skaičių p, kurie lieka inertiški cikliniame skaičių kūne K, atitinka kreives 16p^2 = x^4 - y^2, neturinčias netrivialių taškų su koordinatėmis to kūno sveikųjų skaičių žiede. Paskutinėje dalyje iliustruojamas Gauso sveikųjų skaičių skaidymosi daugikliais vienatinumo taikymas įrodant, kad konkreti hiperelipsinė kreivė neturi taškų su sveikosiomis koordinatėmis. / In this document, the author collected his work that ranges through the years 2006-2013. The common theme that occurs in its five separate parts is that of families of algebraic curves defined over the rational numbers with points over a number field or over its ring of integers. In the first part, average number of rational points of small height on hyperelliptic curves of fixed genus is described. In the second part, this result is extended to describing how often, on average, values of homogeneous polynomials at pairs of small coprime integers are values of a given univariate polynomial with integer coefficients. Further, small families of curves that are defined over the rational numbers and do not have points over a given number field are constructed. In the subsequent part, congruent number curves are investigated. It is shown that, given a cyclic number field K, at least half of the prime numbers p that remain inert in K correspond to curves 16p^2 = x^4 - y^2 that do not have nontrivial points over the ring of integers of K. In the last part, a short exposition to a classical technique of showing that a particular curve does not have integral points is given.

In this document, the author collected his work that ranges through the years 2006 - 2013. The common theme that occurs in its five parts is that of families of algebraic curves defined over the rational numbers with points over a number field or over its ring of integers. In the first part, average number of rational points of small height on hyperelliptic curves of fixed genus is described. In the second part, this result is extended to describing how often, on average, values of homogeneous polynomials at pairs of small coprime integers are values of a given univariate polynomial with integer coefficients. Further, small families of curves that are defined over the rational numbers and do not have points over a given number field are constructed. In the subsequent part, congruent number curves are investigated. It is shown that, given a cyclic number field K, at least half of the prime numbers p that remain inert in K correspond to curves 16p^2 = x^4 - y^2 that do not have nontrivial points over the ring of integers of K. In the last part, a short exposition to a classical technique of showing that a particular curve does not have integral points is given. / Disertaciją sudaro darbai, autoriaus atlikti 2006-2013 metais. Šiuos darbus jungianti tema yra algebrinių kreivių, apibrėžtų virš racionaliųjų skaičių, šeimos, einančios per taškus, kurių koordinatės priklauso duotam skaičių kūnui ar jo sveikųjų skaičių žiedui. Pirmoje disertacijos dalyje yra gaunama vidutinio mažo aukščio racionaliųjų taškų kiekio ant fiksuoto žanro hiperelipsinių kreivių asimptotika. Antroje dalyje šis rezultatas išplečiamas, apibūdinant vidutinį homogeninių daugianarių reikšmių taškuose, kurių koordinatės yra mažo aukščio tarpusavyje pirminiai skaičiai, sutampančių su duoto vieno kintamojo daugianario reikšmėmis sveikuosiuose taškuose, skaičių. Trečioje dalyje sukonstruojamos nedidelės kreivių, apibrėžtų virš racionaliųjų skaičių ir išvengiančių taškų, kurių koordinatės priklauso duotam skaičių kūnui, šeimos. Ketvirtoje dalyje nagrinėjamos kongruenčių skaičių kreivės. Įrodoma, kad bent pusė pirminių skaičių p, kurie lieka inertiški cikliniame skaičių kūne K, atitinka kreives 16p^2 = x^4 - y^2, neturinčias netrivialių taškų su koordinatėmis to kūno sveikųjų skaičių žiede. Paskutinėje dalyje iliustruojamas Gauso sveikųjų skaičių skaidymosi daugikliais vienatinumo taikymas įrodant, kad konkreti hiperelipsinė kreivė neturi taškų su sveikosiomis koordinatėmis.