Algorithmes quantiques pour la cryptanalyse et cryptographie symétrique post-quantique

Quantum Algorithms for Cryptanalysis and Quantum-safe Symmetric Cryptography

• Auteur / Autrice : André Schrottenloher
• Direction : María Naya-Plasencia, André Chailloux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 08/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Damien Vergnaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Joux, Henri Gilbert, Stacey Jeffery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bart Preneel, Gregor Leander

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique quantique

Cryptographie quantique

Mots clés libres

Cryptographie symétrique

Cryptanalyse

Sécurité post-quantique

Algorithmes quantiques

Algorithmes de fusion

Chiffrement à bas coût

Symmetric cryptography

Cryptanalysis

Post-quantum security

Résumé

La cryptographie moderne est fondée sur la notion de sécurité computationnelle. Les niveaux de sécurité attendus des cryptosystèmes sont exprimés en nombre d'opérations ; une attaque est un algorithme d'une complexité inférieure à la borne attendue. Mais ces niveaux de sécurité doivent aujourd'hui prendre en compte une nouvelle notion d'algorithme : le paradigme du calcul quantique. Dans le même temps,la délégation grandissante du chiffrement à des puces RFID, objets connectés ou matériels embarqués pose de nouvelles contraintes de coût.Dans cette thèse, nous étudions la sécurité des cryptosystèmes à clé secrète face à un adversaire quantique.Nous introduisons tout d'abord de nouveaux algorithmes quantiques pour les problèmes génériques de k-listes (k-XOR ou k-SUM), construits en composant des procédures de recherche exhaustive.Nous présentons ensuite des résultats de cryptanalyse dédiée, en commençant par un nouvel outil de cryptanalyse quantique, l'algorithme de Simon hors-ligne. Nous décrivons de nouvelles attaques contre les algorithmes Spook et Gimli et nous effectuons la première étude de sécurité quantique du chiffrement AES. Dans un troisième temps, nous spécifions Saturnin, une famille de cryptosystèmes à bas coût orientés vers la sécurité post-quantique. La structure de Saturnin est proche de celle de l'AES et sa sécurité en tire largement parti.

Modern cryptography relies on the notion of computational security. The level of security given by a cryptosystem is expressed as an amount of computational resources required to break it. The goal of cryptanalysis is to find attacks, that is, algorithms with lower complexities than the conjectural bounds.With the advent of quantum computing devices, these levels of security have to be updated to take a whole new notion of algorithms into account. At the same time, cryptography is becoming widely used in small devices (smart cards, sensors), with new cost constraints.In this thesis, we study the security of secret-key cryptosystems against quantum adversaries.We first build new quantum algorithms for k-list (k-XOR or k-SUM) problems, by composing exhaustive search procedures. Next, we present dedicated cryptanalysis results, starting with a new quantum cryptanalysis tool, the offline Simon's algorithm. We describe new attacks against the lightweight algorithms Spook and Gimli and we perform the first quantum security analysis of the standard cipher AES.Finally, we specify Saturnin, a family of lightweight cryptosystems oriented towards post-quantum security. Thanks to a very similar structure, its security relies largely on the analysis of AES.