Thèse Cryptographie à clé secrète et attaquant quantique dans le monde des télécommunications F/H

Description de l'offre

about the role

Votre rôle est d'effectuer une thèse en cryptographie à clé secrète sur l'impact d'un attaquant quantique dans les télécommunications.

Il est aujourd'hui difficile de savoir quand les ordinateurs quantiques feront partie de notre quotidien. Néanmoins l'existence future de ces machines est largement admise et impose de s'attaquer dès à présent au bouleversement qu'elles vont entraîner. La cryptographie étant omniprésente dans notre quotidien (communications téléphoniques, navigations Internet, objets connectés), il est essentiel de comprendre l'impact des ordinateurs quantiques et trouver des alternatives aux mécanismes cryptographiques actuels viables dans un tel monde quantique.

En cryptographie à clé publique, l'état des lieux est relativement clair : l'algorithme de Shor permettrait à un ordinateur quantique de casser tous les mécanismes cryptographiques couramment utilisés aujourd'hui. Mais des alternatives post-quantiques existent et sont maintenant largement étudiées [12].

En cryptographie à clé secrète, si l'algorithme quantique de Grover [6] impose de doubler la taille des clés utilisées, la recherche a aussi montré qu'il était possible d'utiliser l'intrication et la superposition quantiques, mises en oeuvre par les algorithmes de Grover, Simon [14] ou Kuperberg [10], pour réaliser de nouvelles cryptanalyses.

Certains résultats récents s'appuient sur un tel attaquant quantique pour réaliser des cryptanalyses meet-in-the-middle [4], linéaires et différentielles [9], ou par collisions [3,7]. De plus, des attaques quantiques sur des algorithmes cryptographiques ou modes opératoires aujourd'hui déployés ont également été proposées : chiffrement par bloc Prince [11], chiffrement authentifié AEZ [8,13] ou le MAC Poly1305 [2]. Ces résultats sont obtenus soit par la transposition d'attaques classiques dans un contexte quantique, soit par de nouvelles approches qui prennent en compte les capacités nouvelles dont dispose l'attaquant. Dans le monde des télécommunications, de nombreux algorithmes cryptographiques (AES, Milenage, SNOW, ZUC, etc.) et modes opératoires (CBC, CTR, XTS, CCM, GCM, etc.) pourraient ainsi être susceptibles d'être attaqués.

Au-delà de l'existence d'une attaque quantique contre un algorithme de chiffrement ou d'intégrité, il est aussi primordial d'étudier la résistance des systèmes cryptographiques qui mettent en oeuvre ces algorithmes. Ce contexte plus global est étudié par le biais d'un modèle qui décrit le système analysé et les pouvoirs dont peut disposer l'attaquant. Il s'agit alors soit de montrer qu'une attaque est possible, soit de prouver la sécurité du système. Il existe à ce jour plusieurs modèles d'attaque quantique tels que l'attaque par superposition [5] ou l'attaque quantique à texte chiffré choisi [1]. Le lien possible entre attaquant classique et attaquant quantique est aussi une cible de recherche potentielle [15]. Dans le monde des télécommunications, certains protocoles ont été attaqués (TLS 1.2, GP SCP02, LoRaWAN 1.0) et pour d'autres (TLS 1.3, GP SCP03, LoRaWAN 1.1, etc.), une preuve de sécurité a été proposée. Les preuves de sécurité existantes ne prennent pas en compte, la plupart du temps, les nouvelles fonctionnalités d'un tel attaquant (techniques de rembobinage ou tables de consultation à adapter, gestion différente des oracles, gestion des mesures quantiques, etc.). Elles doivent donc être revues et adaptées en conséquence.

L'objectif de la thèse sera d'étudier ces attaques et leurs impacts sur les protocoles et algorithmes du monde des télécommunications (réseaux 2G à 5G, protocole TLS, cartes multi-applicatives Global Platform, Internet des Objets LoRaWAN, etc.).

Se référer à la section 3 « Le plus de l'offre » pour des informations détaillées sur la mission scientifique et les principales activités associées à la thèse.

about you

Vous possédez un niveau BAC+5 et devra être titulaire d'un diplôme d'école d'ingénieur ou d'un Master 2 avec une forte composante en cryptographie. Un master de recherche est souhaitable, mais pas obligatoire. Des candidat.e.s provenant du monde de l'informatique quantique peuvent aussi être pertinent.e.s. Un stage de recherche en cryptographie pourra être apprécié.

Vous vous appuyez sur des connaissances fortes en cryptographie et plus particulièrement en cryptographie à clé secrète (algorithmes et modes opératoires). Les grands principes de base, ainsi la conception de tels mécanismes devront être des techniques parfaitement maîtrisées. Par ailleurs, des connaissances en cryptanalyse seront appréciées. Vous devrez vous approprier le principe des attaques les plus courantes comme les attaques linéaires ou différentielles, ou encore les attaques par collisions, etc. Des connaissances en informatique quantique, telles que des notions avancées sur la manipulation des qubits permises par les mécanismes de superposition et d'intrication quantique et les algorithmes quantiques basiques (Grover, Simon, etc.), sont importantes. Enfin, des connaissances en protocoles cryptographiques et en preuves de sécurité sont un atout tout aussi utile.

Vous êtes autonome, curieux.se et ouvert.e d'esprit pour les phases de recherche, rigoureux.se et méthodique pour l'établissement de l'état de l'art et lors des phases de rédaction (articles de conférence ou mémoire de thèse final). Vous êtes par ailleurs, dynamique et force de propositions. Etant donné que vous serez amené.e à présenter vos résultats tout au long de la thèse (à l'écrit et à l'oral), des qualités de communication seront appréciées.

Pour finir, l'anglais sera prépondérant tout au long de la thèse, aussi bien en lecture (état de l'art), en écriture (rédaction d'articles) qu'à l'oral (présentation des résultats lors de conférences internationales). Un bon niveau est donc souhaité.

additional information

L'objectif de la thèse est d'étudier l'impact des ordinateurs quantiques sur les mécanismes cryptographiques à clé secrète utilisés par un opérateur de télécommunications. Plus précisément, la thèse devra porter sur :

·  les modèles d'attaquants quantiques afin de trouver les plus pertinents par rapport aux protocoles mis en oeuvre par un opérateur de télécommunications ;
·  les algorithmes quantiques permettant d'attaquer les algorithmes de cryptographie à clé secrète. Ces algorithmes pourront être soit déjà existants dans la littérature, soit adaptés d'un ou plusieurs algorithmes existants, soit créés pour le besoin de la thèse (voire à portée plus large) ;
·  les cryptanalyses de primitives de cryptographie à clé secrète (à blocs ou à flot tels qu'AES, Milenage, SNOW ou ZUC) et de modes opératoires (ex : CBC, CTR, XTS, CCM, GCM). Ces cryptanalyses pourront être soit dédiées à un algorithme particulier, soit plus génériques en considérant un type d'attaque et de modèle d'attaquant relatif à une famille d'algorithmes. Ces cryptanalyses pourront aboutir à trois types de résultats au moins : (i) une variante plus efficace d'attaques existantes obtenue en considérant le contexte d'un attaquant quantique, (ii) une nouvelle attaque mettant en oeuvre des algorithmes quantiques dédiés, (iii) une argumentation montrant que les attaques existantes ne sont pas plus dévastatrices dans un monde post-quantique ;
·  la façon dont il est possible de modifier un algorithme cryptographique ou un mode opératoire pour qu'il soit moins faillible (voire résistant) à une attaque quantique existante ;
·  des constructions d'algorithmes ou de modes opératoires résistants aux attaques quantiques existantes dans la littérature ;
·  les preuves de sécurité de protocoles cryptographiques dans le cas d'un attaquant quantique.

Ces différents éléments devront être menés de front, en fonction de la bibliographie qui est encore naissante dans ce domaine et qui sera certainement très active avant le démarrage et tout au long de la thèse.

La première année de la thèse (les six premiers mois) sera majoritairement dédiée à l'étude de l'état de l'art, en se basant notamment sur les axes principaux décrits ci-dessus : les protocoles cryptographiques du monde des télécommunications, les algorithmes de cryptographie à clé secrète et les modes opératoires mis en oeuvre dans ces protocoles, les méthodes de cryptanalyse, les algorithmes quantiques, les modèles, avantages et contraintes des attaquants quantiques et les preuves de sécurité des protocoles cryptographiques. Par la suite, pendant une période de 1,5 à 2 ans, le doctorant ou la doctorante cherchera à innover dans ce domaine et aura pour objectif de publier ses résultats dans des conférences ou journaux dédiés à la cryptographie ou à l'informatique quantique. Une grande partie de la dernière année sera consacrée à la finalisation des derniers résultats, à la rédaction du mémoire de thèse et à la préparation de la soutenance.

department

Au sein des Orange Labs, le doctorant ou la doctorante sera intégré.e à l'équipe Security Privacy and Innovation du département Sécurité. Cette équipe est en charge de maintenir un haut niveau d'expertise en sécurité pour le Groupe Orange, notamment autour des infrastructures et des services. Elle traite tout particulièrement les sujets de la cryptographie, de la protection des données personnelles, de la sécurité du cloud computing et de la détection/protection contre les intrusions. La thèse se déroulera sur le site d'Orange Labs à Caen et sera encadrée par Sébastien Canard et Loïc Ferreira.

Qu'est ce qui fait la valeur ajoutée de cette offre ?

Le doctorat s'effectuera dans un grand groupe international dans le domaine des télécommunications. Le doctorant ou la doctorante sera directement impliqué.e dans les problématiques de sécurité du Groupe Orange. Il ou elle sera intégré.e au groupe de cryptographie appliqué d'Orange Labs (Applied Crypto Group (ACG), https://crypto.orange-labs.fr/) qui comprend 12 chercheur.se.s en cryptographie, ainsi que 8 doctorant.e.s et post-doctorant.e.s dans le domaine. Le doctorant ou la doctorante aura l'occasion de participer à des conférences internationales dans le domaine de la sécurité et de la cryptographie pour présenter ses propres résultats, mais aussi pour assister à des exposés et rencontrer d'autres chercheur.se.s et doctorant.e.s dans son domaine.

Le doctorant ou la doctorante sera par ailleurs intégrée à l'équipe-projet SECRET d'INRIA (https://www.rocq.inria.fr/secret/index.php), dont les travaux sont essentiellement consacrés à la conception et à l'analyse de la sécurité d'algorithmes cryptographiques, dans le contexte classique ou quantique. Cette équipe-projet est actuellement composée de 8 chercheur.se.s, auxquels se rajoutent de nombreux doctorant.e.s et post-doctorant.e.s. María Naya-Plasencia sera la responsable académique de la thèse.

Références :

[1] Boneh, D., Zhandry, M.: Secure signatures and chosen ciphertext security in a quantum computing world. Crypto 2018.

[2] Bonnetain, X., Naya-Plasencia, M.: Hidden shift quantum cryptanalysis and implications. Asiacrypt 2018.

[3] Chailloux, A., Naya-Plasencia, M., Schrottenloher, A.: An efficient quantum collision search algorithm and implications on symmetric cryptography. Asiacrypt 2017.

[4] Chevalier, C., Kaplan, M., Vu, Q.H.: On the Everlasting Security of Password Authenticated Quantum Key Exchange. CoRR abs/1904.

[5] Damgärd, I., Funder, J., Nielsen, J.B., Salvail, L.: Superposition attacks on cryptographic protocols. ICITS 2013.

[6] Grover, L.K.: A fast quantum mechanical algorithm for database search. STOC 1996.

[7] Hosoyamada, A., Sasaki, Y., Xagawa, K.: Quantum multicollision-finding algorithm. Asiacrypt 2017.

[8] Kaplan, M., Leurent, G., Leverrier, A., Naya-Plasencia, M.: Breaking symmetric cryptosystems using quantum period finding. Crypto 2016.

[9] Kaplan, M., Leurent, G., Leverrier, A., Naya-Plasencia, M.: Quantum differential and linear cryptanalysis. IACR Trans. Symmetric Cryptol. 2016.

[10] Kuperberg, G.: Another Subexponential-time Quantum Algorithm for the Dihedral Hidden Subgroup Problem. TQC 2013.

[11] Leander, G., May, A.: Grover meets Simon - quantumly attacking the FX-construction. Asiacrypt 2017.

[12] NIST: Post-Quantum Cryptography.

[13] Santoli, T., Schaffner, C.: Using Simon's Algorithm to Attack Symmetric-key Cryptographic Primitives. Quantum Info. Comput.

[14] Simon, D.R.: On the power of quantum cryptography. SIAM J. Comput.

[15] Zhandry, M.: How to construct quantum random functions. FOCS 2012.

contract

Thesis