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Theses Year : 2019

Hidden Structures and Quantum Cryptanalysis

Structures cachées et cryptanalyse quantique

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Abstract

In this thesis, we study the security of cryptographic systems against an adversary who has access to a quantum computer. In quantum computing, we studied the hidden period and hidden shift problems, which are among the few known problems that have some applications in cryptogaphy and for which the best known quantum algorithm is more than polynomially faster than the best known classical algorithm. We proposed some improvements, new tradeoffs between classical and quantum time and memory, and extended their scope of applications to cases where only a classical oracle is available. In cryptanalysis, in symmetric cryptography, we proposed some attacks against symmetric constructions based on hidden shifts, and generalized many attacks using hidden periods to cases where the construction is only accessible classically. We proposed a quantum cryptanalysis of the different versions of the authenticated cipher AEZ and some quantum versions of multiple slide attacks, which are a classical family of cryptanalyses. This rewriting of attacks in the formalism of hidden periods has allowed us to propose a new classical attack against multiple variants of the cipher MiMC. In asymmetric cryptography, we proposed a concrete and asymptotic quantum security analysis of some isogeny-based key exchanges. Finally, we studied quantum security in some cases where these hidden structure problems do not apply, with in particular the first quantum security analysis of AES, the most used symmetric cipher to date.
Nous étudions la sécurité de systèmes cryptographiques face à un adversaire muni d'un ordinateur quantique. En algorithmique quantique, nous avons étudié les problèmes de période et de décalage cachés, qui sont les seuls connus à ce jour ayant des applications en cryptographie et pour lesquels le meilleur algorithme quantique connu est plus que polynomialement plus rapide que le meilleur algorithme classique. Nous avons proposé des améliorations, de nouveaux compromis entre temps et mémoire classiques et quantiques, et étendu leur champ d'applications à des cas où seul un oracle classique est accessible. En cryptanalyse, en cryptographie symétrique, nous avons proposé des attaques de constructions symétriques utilisant des décalages cachés, et généralisé moult attaques exploitant des périodes cachées aux cas où l'accès à la construction est classique. Nous avons proposé une cryptanalyse quantique des différentes versions du chiffrement authentifié AEZ ainsi que des versions quantiques de multiples slide attacks, qui sont une famille classique d'attaques. Cette reformulation d'attaques dans le formalisme des périodes cachées nous ont permis de proposer de nouvelles attaques classiques sur différentes variantes du chiffrement MiMC. En cryptographie asymétrique, nous avons proposé une étude concrète et asymptotique de la sécurité quantique de schémas d'échange de clé à base d'isogénies. Enfin, nous avons étudié la sécurité dans des cadres où ces problèmes de structures cachées ne s'appliquent pas, avec la première analyse de sécurité quantique d'AES, le chiffrement symétrique le plus utilisé à l'heure actuelle.
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Dates and versions

tel-02400328 , version 1 (09-12-2019)
tel-02400328 , version 2 (11-09-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02400328 , version 2

Cite

Xavier Bonnetain. Hidden Structures and Quantum Cryptanalysis. Cryptography and Security [cs.CR]. Sorbonne Université, 2019. English. ⟨NNT : 2019SORUS181⟩. ⟨tel-02400328v2⟩
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