Quantum systems in the d-dimensional Hilbert space are considered. The mutually unbiased bases is a deep problem in this area. The problem of finding all mutually unbiased bases for higher (non-prime) dimension is still open. We derive an alternate approach to mutually unbiased bases by studying a weaker concept which we call weak mutually unbiased bases. We then compare three rather different structures. The first is weak mutually unbiased bases, for which the absolute value of the overlap of any two vectors in two different bases is 1/√k (where k∣d) or 0. The second is maximal lines through the origin in the Z(d) × Z(d) phase space. The third is an analytic representation in the complex plane based on Theta functions, and their zeros. The analytic representation of the weak mutually unbiased bases is defined with the zeros examined. It is shown that there is a correspondence (triality) that links strongly these three apparently different structures. We give an explicit breakdown of this triality.

yes / An analytic representation with Theta functions on a torus, for systems with variables in ℤ(d), is considered. Another analytic representation with Theta functions on a strip, for systems with positions in a circle S and momenta in Z, is also considered. The reproducing kernel formalism for these two systems is studied. Wigner and Weyl functions in this language, are also studied.

Alors qu'initialement utilisés pour résoudre le Problème du Logarithme Discret (DLP) dans le groupe de points d'une courbe elliptique, les couplages sont très à la mode en cryptographie ces années car ils permettent de construire de nouveaux protocoles cryptographiques. Cependant, le calcul efficace du couplage dépend de l'arithmétique du modèle de courbe elliptique choisi et du corps sur lequel cette courbe est définie. Dans cette thèse, nous calculons le couplage sur deux modèles de Jacobi de courbes elliptiques puis nous introduisons et étudions l'arithmétique d'un nouveau modèle d'Ewards de courbe elliptique défini en toutes caractéristiques. Plus précisément, Nous utilisons l'interprétation géométrique de la loi de groupe sur l'intersection des quadriques de Jacobi pour obtenir pour la première fois dans la littérature, les formules explicites de la fonction de Miller pour le calcul du couplage de Tate sur cette courbe. Pour un calcul de couplage avec un degré de plongement pair, nous définissons la tordue quadratique pour obtenir des étapes de doublement et d'addition efficaces dans l'algorithme de Miller. Ensuite nous utilisons un isomorphisme entre la quartique spéciale de Jacobi Ed: Y²=dX⁴+Z⁴ et le modèle de Weierstrass pour obtenir la fonction de Miller nécessaire au calcul du couplage de Tate. Pour un degré de plongement divisible par 4, nous définissons la tordue d'ordre 4 de cette courbe pour obtenir un résultat meilleur du calcul du couplage de Tate par rapport aux courbes elliptiques sous forme de Weierstrass. Notre résultat améliore en même temps les derniers résultats obtenus sur cette courbe. Ce résultat est donc le meilleur connu à ce jour, à notre connaissance, pour le calcul du couplage de Tate sur les courbes possédant des tordues d'ordre 4. En 2006, Hess et al. introduisent le couplage Ate, qui est une version améliorée du couplage de Tate. Nous calculons ce couplage et ses variantes sur la même quartique. Nous y obtenons encore des résultats meilleurs. Notre troisième contribution est l'introduction d'un nouveau modèle d'Edwards de courbe elliptique d'équation 1+x²+y²+x²y²=Xxy. Ce modèle est ordinaire sur les corps de caractéristique 2 et nous montrons qu'il est birationnellement équivalent au modèle original d'Edwards x²+y²=c²(1+x²y²) en caractéristique différente de 2. Pour ce faire, nous utilisons la théorie des fonctions thêta et un modèle intermédiaire que nous appelons modèle thêta de niveau 4. Nous utilisons les relations de Riemann des fonctions thêta pour étudier l'arithmétique de ces deux courbes. Nous obtenons d'une part une loi de groupe complète, unifiée et en particulier compétitive en caractéristique 2 et d'autre part nous présentons les meilleures formules d'addition différentielle sur le modèle thêta de niveau 4. / While first used to solve the Discrete Logarithm Problem (DLP) in the group of points of elliptic curves, bilinear pairings are now useful to construct many public key protocols. The efficiency of pairings computation depends on the arithmetic of the model chosen for the elliptic curve and of the base field where the curve is defined. In this thesis, we compute and implement pairings on elliptic curves of Jacobi forms and we study the arithmetic of a new Edwards model for elliptic curves defined over any finite field. More precisely, We use the geometric interpretation of the group law of Jacobi intersection curves to obtain the first explicit formulas for the Miller function in Tate pairing computation in this case. For pairing computation with even embedding degree, we define and use the quadratic twist of this curve to obtain efficient formulas in the doubling and addition stages in Miller's algorithm. Moreover, for pairing computation with embedding degree divisible by 4 on the special Jacobi quartic elliptic curve Ed :Y²=dX⁴+Z⁴, we define and use its quartic twist to obtain a best result with respect to Weierstrass curves. Our result is at the same time an improvement of a result recently obtained on this curve, and is therefore, to our knowledge, the best result to date on Tate pairing computation among all curves with quartic twists. In 2006, Hess et al. introduced the concept of Ate pairing which is an improving version of the Tate pairing. We extend the computation of this pairing and its variations to the curve E_d. Again our theoretical results show that this curve offers the best performances comparatively to other curves with quartic twists, especially Weiertrass curves. As a third contribution, we introduce a new Edwards model for elliptic curves with equation 1+x²+y²+x²y²=\lambda xy. This model is ordinary over binary fields and we show that it is birationally equivalent to the well known Edwards model x²+y²=c²(1+x²y²) over non-binary fields. For this, we use the theory of theta functions to obtain an intermediate model that we call the level 4 theta model. We study the arithmetic of these curves, using Riemann relations of theta functions. The group laws are complete, unified, efficient and are particularly competitive in characteristic 2. Our formulas for differential addition on the level four theta model over binary fields are the best to date among well known models of elliptic curves.

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.

Ramanujan introduced his now celebrated mock theta functions in 1920, grouping them into families parameterized by an integer called the order. In 2010 Bringmann and Ono discovered generalizations of Ramanujan's mock theta functions for any order relatively prime to 6; this result was later strengthened by Garvan in 2016. It was also shown that by adding suitable nonholomorphic completion terms to the mock theta functions the family of mock theta functions corresponding to a given order constitute a complex vector space which is closed under the action of the modular group. We strengthen the Bringmann, Ono, and Garvan result by constructing a vector-valued modular form of weight 1/2 transforming according the Weil representation for orders greater than 3 by introducing an algorithm which simultaneously numerically constructs the form and proves its transformation laws. We also explicitly construct the 7th order form and prove analytically that it has the proper modular transformations. It is conjectured the same method will apply for other orders.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23679号 / 理博第4769号 / 新制||理||1683(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科数学・数理解析専攻 / (主査)教授 池田 保, 教授 雪江 明彦, 准教授 市野 篤史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

L'application d'Abel-Jacobi fait le lien entre la forme de Weierstrass d'une courbe elliptique définie sur C et le tore complexe qui lui est associé. Il est possible de la calculer en un nombre d'opérations quasi-linéaire en la précision voulue, c'est à dire en temps O(M(P) log P). Son inverse est donné par la fonction p de Weierstrass, qui s'exprime en fonction de thêta, une fonction importante en théorie des nombres. L'algorithme naturel d'évaluation de thêta nécessite O(M(P) sqrt(P)) opérations, mais certaines valeurs (les thêta-constantes) peuvent être calculées en O(M(P) log P) opérations en exploitant les liens avec la moyenne arithmético-géométrique (AGM). Dans ce manuscrit, nous généralisons cet algorithme afin de calculer thêta en O(M(P) log P). Nous exhibons une fonction F qui a des propriétés similaires à l'AGM. D'une façon similaire à l'algorithme pour les thêta-constantes, nous pouvons alors utiliser la méthode de Newton pour calculer la valeur de thêta. Nous avons implanté cet algorithme, qui est plus rapide que la méthode naïve pour des précisions supérieures à 300 000 chiffres décimaux. Nous montrons comment généraliser cet algorithme en genre supérieur, et en particulier comment généraliser la fonction F. En genre 2, nous sommes parvenus à prouver que la même méthode mène à un algorithme qui évalue thêta en O(M(P) log P) opérations ; la même complexité s'applique aussi à l'application d'Abel-Jacobi. Cet algorithme est plus rapide que la méthode naïve pour des précisions plus faibles qu'en genre 1, de l'ordre de 3 000 chiffres décimaux. Nous esquissons également des pistes pour obtenir la même complexité en genre quelconque. Enfin, nous exhibons un nouvel algorithme permettant de calculer une isogénie de courbes elliptiques de noyau donné. Cet algorithme utilise l'application d'Abel-Jacobi, car il est facile d'évaluer l'isogénie sur le tore ; il est sans doute possible de le généraliser au genre supérieur / The Abel-Jacobi map links the short Weierstrass form of a complex elliptic curve to the complex torus associated to it. One can compute it with a number of operations which is quasi-linear in the target precision, i.e. in time O(M(P) log P). Its inverse is given by Weierstrass's p-function, which can be written as a function of theta, an important function in number theory. The natural algorithm for evaluating theta requires O(M(P) sqrt(P)) operations, but some values (the theta-constants) can be computed in O(M(P) log P) operations by exploiting the links with the arithmetico-geometric mean (AGM). In this manuscript, we generalize this algorithm in order to compute theta in O(M(P) log P). We give a function F which has similar properties to the AGM. As with the algorithm for theta-constants, we can then use Newton's method to compute the value of theta. We implemented this algorithm, which is faster than the naive method for precisions larger than 300,000 decimal digits. We then study the generalization of this algorithm in higher genus, and in particular how to generalize the F function. In genus 2, we managed to prove that the same method leads to a O(M(P) log P) algorithm for theta; the same complexity applies to the Abel-Jacobi map. This algorithm is faster than the naive method for precisions smaller than in genus 1, of about 3,000 decimal digits. We also outline a way one could reach the same complexity in any genus. Finally, we study a new algorithm which computes an isogeny of elliptic curves with given kernel. This algorithm uses the Abel-Jacobi map because it is easy to evaluate the isogeny on the complex torus; this algorithm may be generalizable to higher genera

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Les principaux objets étudiés dans cette thèse sont les équations décrivant le morphisme de groupe sur une variété abélienne, plongée dans un espace projectif, et leurs applications en cryptographie. Notons g sa dimension et k son corps de définition. Ce mémoire est composé de deux parties. La première porte sur l'étude des courbes d'Edwards, un modèle pour les courbes elliptiques possédant un sous-groupe de points k-rationnels cyclique d'ordre 4, connues en cryptographie pour l'efficacité de leur loi d'addition et la possibilité qu'elle soit définie pour toute paire de points k-rationnels (loi d'addition k-complète). Nous en donnons une interprétation géométrique et en déduisons des formules explicites pour le calcul du couplage de Tate réduit sur courbes d'Edwards tordues, dont l'efficacité rivalise avec les modèles elliptiques couramment utilisés. Cette partie se conclut par la génération, spécifique au calcul de couplages, de courbes d'Edwards dont les tailles correspondent aux standards cryptographiques actuellement en vigueur. Dans la seconde partie nous nous intéressons à la notion de complétude introduite ci-dessus. Cette propriété est cryptographiquement importante car elle permet d'éviter des attaques physiques, comme les attaques par canaux cachés, sur des cryptosystèmes basés sur les courbes elliptiques ou hyperelliptiques. Un précédent travail de Lange et Ruppert, basé sur la cohomologie des fibrés en droite, permet une approche théorique des lois d'addition. Nous présentons trois résultats importants : tout d'abord nous généralisons un résultat de Bosma et Lenstra en démontrant que le morphisme de groupe ne peut être décrit par strictement moins de g+1 lois d'addition sur la clôture algébrique de k. Ensuite nous démontrons que si le groupe de Galois absolu de k est infini, alors toute variété abélienne peut être plongée dans un espace projectif de manière à ce qu'il existe une loi d'addition k-complète. De plus, l'utilisation des variétés abéliennes nous limitant à celles de dimension un ou deux, nous démontrons qu'une telle loi existe pour leur plongement projectif usuel. Finalement, nous développons un algorithme, basé sur la théorie des fonctions thêta, calculant celle-ci dans P^15 sur la jacobienne d'une courbe de genre deux donnée par sa forme de Rosenhain. Il est désormais intégré au package AVIsogenies de Magma. / The main objects we study in this PhD thesis are the equations describing the group morphism on an abelian variety, embedded in a projective space, and their applications in cryptograhy. We denote by g its dimension and k its field of definition. This thesis is built in two parts. The first one is concerned by the study of Edwards curves, a model for elliptic curves having a cyclic subgroup of k-rational points of order 4, known in cryptography for the efficiency of their addition law and the fact that it can be defined for any couple of k-rational points (k-complete addition law). We give the corresponding geometric interpretation and deduce explicit formulae to calculate the reduced Tate pairing on twisted Edwards curves, whose efficiency compete with currently used elliptic models. The part ends with the generation, specific to pairing computation, of Edwards curves with today's cryptographic standard sizes. In the second part, we are interested in the notion of completeness introduced above. This property is cryptographically significant, indeed it permits to avoid physical attacks as side channel attacks, on elliptic -- or hyperelliptic -- curves cryptosystems. A preceeding work of Lange and Ruppert, based on cohomology of line bundles, brings a theoretic approach of addition laws. We present three important results: first of all we generalize a result of Bosma and Lenstra by proving that the group morphism can not be described by less than g+1 addition laws on the algebraic closure of k. Next, we prove that if the absolute Galois group of k is infinite, then any abelian variety can be projectively embedded together with a k-complete addition law. Moreover, a cryptographic use of abelian varieties restricting us to the dimension one and two cases, we prove that such a law exists for their classical projective embedding. Finally, we develop an algorithm, based on the theory of theta functions, computing this addition law in P^15 on the Jacobian of a genus two curve given in Rosenhain form. It is now included in AVIsogenies, a Magma package.

Cette thèse porte sur l'étude des points entiers et rationnels de certaines courbes et variétés modulaires. Après une brève introduction décrivant les motivations et le cadre de ce genre d'études ainsi que les résultats principaux de la thèse, le manuscrit se divise en trois parties. Le premier chapitre s'intéresse aux Q-courbes, et aux morphismes Gal(Q/Q) -> PGL2(Fp) qu'on peut leur associer pour tout p premier. Nous montrons que sous de bonnes hypothèses, pour p assez grand par rapport au discriminant du corps de définition de la Q-courbe, ce morphisme est surjectif, ce qui résout un cas particulier du problème d'uniformité de Serre (toujours ouvert en général). Les outils principaux du chapitre sont la méthode de Mazur (basée ici sur des résultats d'Ellenberg), la méthode de Runge et des théorèmes d'isogénie, suivant la structure de preuve de Bilu et Parent. Le second chapitre consiste en des estimations analytiques de sommes pondérées de valeurs de fonctions L de formes modulaires, dans l'esprit de techniques développées par Duke et Ellenberg. La motivation de départ d'un tel résultat est l'application de la méthode de Mazur dans le premier chapitre. Le troisième chapitre est consacré à la recherche de généralisations de la méthode de Runge pour des variétés de dimension supérieure. Nous y redémontrons un résultat de Levin inspiré de cette méthode, avant d'en prouver une forme assouplie dite "de Runge tubulaire", plus largement applicable. Dans l'optique de recherche de points entiers de variétés modulaires, nous en donnons enfin un exemple d'utilisation à la réduction d'une surface abélienne en produit de courbes elliptiques. / This thesis concerns the study of integral and rational points on some modular curves and varieties. After a brief introduction which describes the motivation and the setting of this topic as well as the main results of this thesis, the manuscript follows a threefold development. The first chapter focuses on Q-curves, and on the morphisms Gal(Q/Q) -> PGL2(Fp) that we can build with a Q-curve for every prime p. We prove that, under good hypotheses, for p large enough with respect to the discriminant of the definition field of the Q-curve, such a morphism is surjective, which solves a particular case of Serre's uniformity problem (still open in general). The main tools of the chapter are Mazur's method (based here on results of Ellenberg), Runge's method, and isogeny theorems, following the strategy of Bilu and Parent. The second chapter covers analytic estimates of weighted sums of L-function values of modular forms, in the fashion of techniques designed by Duke and Ellenberg. The initial goal of such a result is the application of Mazur's method in the first chapter. The third chapter is devoted to the search for generalisations of Runge's method for higherdimensional varieties. Here we prove anew a result of Levin inspired by this method, before proving an enhanced version called "tubular Runge", more generally applicable. In the perspective of studying integral points of modular varieties, we finally give an example of application of this theorem to the reduction of an abelian surface in a product of elliptic curves.