Endomorphism Rings in Cryptography
"Endomorphism Rings in Cryptography"
Résumé
Modern communications heavily rely on cryptography to ensure data integrity and privacy. Over the past two decades, very efficient, secure, and featureful cryptographic schemes have been built on top of abelian varieties defined over finite fields. This thesis contributes to several computational aspects of ordinary abelian varieties related to their endomorphism ring structure. This structure plays a crucial role in the construction of abelian varieties with desirable properties. For instance, pairings have recently enabled many advanced cryptographic primitives; generating abelian varieties endowed with efficient pairings requires selecting suitable endomorphism rings, and we show that more such rings can be used than expected. We also address the inverse problem, that of computing the endomorphism ring of a prescribed abelian variety, which has several applications of its own. Prior state-of-the-art methods could only solve this problem in exponential time, and we design several algorithms of subexponential complexity for solving it in the ordinary case. For elliptic curves, our algorithms are very effective and we demonstrate their practicality by solving large problems that were previously intractable. Additionally, we rigorously bound the complexity of our main algorithm assuming solely the extended Riemann hypothesis. As an alternative to one of our subroutines, we also consider a generalization of the subset sum problem in finite groups, and show how it can be solved using little memory. Finally, we generalize our method to higher-dimensional abelian varieties, for which we rely on further heuristic assumptions. Practically speaking, we develop a library enabling the computation of isogenies between abelian varieties; using this important building block in our main algorithm, we apply our generalized method to compute several illustrative and record examples.
La cryptographie est devenue indispensable afin de garantir la sécurité et l'intégrité des données transitant dans les réseaux de communication modernes. Ces deux dernières décennies, des cryptosystèmes très efficaces, sûr et riches en fonctionnalités ont été construits à partir de variétés abéliennes définies sur des corps finis. Cette thèse contribue à certains aspects algorithmiques des variétés abéliennes ordinaires touchant à leurs anneaux d'endomorphismes. Cette structure joue un rôle capital dans la construction de variétés abéliennes ayant de bonnes propriétés. Par exemple, les couplages ont récemment permis de créer de nombreuses primitives cryptographiques avancées ; construire des variétés abéliennes munies de couplages efficaces nécessite de choisir des anneaux d'endomorphismes convenables, et nous montrons qu'un plus grand nombre de tels anneaux peut être utilisé qu'on ne pourrait croire. Nous nous penchons aussi le problème inverse qu'est celui du calcul de l'anneau d'endomorphisme d'une variété abélienne donnée, et qui possède en outre plusieurs applications pratiques. Précédemment, les meilleures méthodes ne résolvaient ce problème qu'en temps exponentiel ; nous concevons ici plusieurs algorithmes de complexité sous-exponentielle pour le résoudre dans le cas ordinaire. Pour les courbes elliptiques, nous algorithmes sont très efficaces, ce que nous démontrons en attaquant des problèmes de grande taille, insolvables jusqu'à ce jour. De plus, nous bornons rigoureusement la complexité de notre algorithme sous l'hypothèse de Riemann étendue. En tant que sous-routine alternative, nous nous considérons aussi une généralisation du problème du sac à dos dans les groupes finis, et montrons comment il peut être résolu en utilisant peu de mémoire. Enfin, nous généralisons notre méthode aux variétés abélienne de dimension supérieure, ce qui nécessite davantage d'hypothèses heuristiques. Concrètement, nous développons une bibliothèque qui permet d'évaluer des isogénies entre variétés abéliennes ; en utilisant cet outil important dans notre algorithme, nous appliquons notre méthode généralisée à des exemples illustratifs et de tailles jusqu'à présent inatteignables.
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