Design and Implementation of Lattice-Based Cryptography
Conception and implémentation de cryptographie à base de réseaux
Résumé
Today, lattice-based cryptography is a thriving scientific field. Its swift expansion is due, among others, to the attractiveness of fully homomorphic encryption and cryptographic multilinear maps. Lattice-based cryptography has also been recognized for its thrilling properties: a security that can be reduced to worst-case instances of problems over lattices, a quasi-optimal asymptotic efficiency and an alleged resistance to quantum computers. However, its practical use in real-world products leaves a lot to be desired. This thesis accomplishes a step towards this goal by narrowing the gap between theoretical research and practical implementation of recent public key cryptosystems. In this thesis, we design and implement a lattice-based digital signature, two fully homomorphic encryption schemes and cryptographic multilinear maps. Our highly efficient signature scheme, BLISS, opened the way to implementing lattice-based cryptography on constrained devices and remains as of today a promising primitive for post-quantum cryptography. Our fully homomorphic encryption schemes enjoy competitive homomorphic evaluations of nontrivial circuits. Finally, we describe the first implementation of cryptographic multilinear maps. Based on our implementation, a non interactive key exchange between more than three parties has been realized for the first time, and amounts to a few seconds per party.
La cryptographie à base de réseaux euclidiens est aujourd'hui un domaine scientifique en pleine expansion et connait une évolution rapide et accélérée par l'attractivité du chiffrement complètement homomorphe ou des applications multilinéaires cryptographiques. Ses propriétés sont très attractives : une sécurité pouvant être réduite à la difficulté des pires cas de problèmes sur les réseaux euclidiens, une efficacité asymptotique quasi-optimale et une résistance présupposée aux ordinateurs quantiques. Cependant, on dénombre encore peu de résultats de recherche sur les constructions à visée pratique pour un niveau de sécurité fixé. Cette thèse s'inscrit dans cette direction et travaille à réduire l'écart entre la théorie et la pratique de la cryptographie à clé publique récente. Dans cette thèse, nous concevons et implémentons une signature numérique basée sur les réseaux euclidiens, deux schémas de chiffrement complètement homomorphe et des applications multilinéaires cryptographiques. Notre signature digitale ultra-performante, BLISS, ouvre la voie à la mise en pratique de la cryptographie à base de réseaux sur petites architectures et est un candidat sérieux à la cryptographie post-quantique. Nos schémas de chiffrement complètement homomorphes permettent d'évaluer des circuits non triviaux de manière compétitive. Finalement, nous proposons la première implémentation d'applications multilinéaires et réalisons, pour la première fois, un échange de clé non interactif entre plus de trois participants en quelques secondes.
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