Randomness in Fiber-Based Photonics for Secure Communications

Dans notre ère d'information, une quantité croissante d’informations personnelles et de nos communications est transmise par l'Internet, qui est sujet aux cyberattaques, à l'espionnage et aux intrusions. La sécurité de nos communications est donc une préoccupation croissante pour toutes les entités qui traitent des informations sensibles comme les gouvernements, les institutions bancaires, les agences de renseignement et même le grand public. Pour garantir la confidentialité de nos informations, les systèmes de télécommunications s'appuient désormais sur des protocoles cryptographiques qui chiffrent les messages à l'aide de clés secrètes, garantissant ainsi que seul le destinataire prévu peut déchiffrer les informations contenues dans le message. Ces clés secrètes sont basées sur des nombres aléatoires, qui sont généralement générés par des algorithmes complexes afin de garantir qu'ils présentent la non-reproductibilité et la non-périodicité requises. Cependant, ces protocoles de communication n'offrent pas une sécurité absolue, et présentent certaines faiblesses qui peuvent être exploitées par certains attaquants. Par exemple, les algorithmes générant les nombres aléatoires sont déterministes et pourraient potentiellement être reproduits ou simulés, ce qui mettrait en danger la confidentialité des communications. Pour résoudre ce problème, de nouvelles techniques sont conçues pour améliorer les protocoles de communication sécurisés, par exemple en intégrant un niveau physique supplémentaire de sécurité en plus des algorithmes cryptographiques. De plus, comme alternative aux nombres pseudo-aléatoires algorithmiques, les sources physiques d'entropie sont étudiées pour générer de véritables nombres aléatoires basés sur des processus physiques, comme le bruit d’une diode. Dans cette thèse, l'utilisation de l'aléatoire dans les dispositifs photoniques à base de fibres est étudiée comme une solution potentielle pour améliorer la sécurité des protocoles cryptographiques existants. La recherche est orientée selon deux axes principaux. Le premier axe est basé sur la fabrication de nouveaux dispositifs physiques basés sur l'aléatoire, qui sont ensuite utilisés à plusieurs étapes du protocole de communication. Le second axe se concentre sur le développement d’une nouvelle source d'entropie, ainsi que l’évaluation de son potentiel pour la génération de nombres aléatoires.

Abstract

In the current information era, an increasing quantity of our personal information and communications is transmitted by the Internet, which is prone to cyber-attacks, spying and intrusions. The security of our communications is therefore a growing concern to all entities transacting sensitive information like governments, banking institutions, intelligence agencies and even the general public. To ensure the privacy of our information, telecommunications systems now rely on cryptographic protocols that encrypt messages using secret keys, making sure only the intended receiver can decrypt the information embedded in the message. These secret keys are based on random numbers, which are typically generated by complex algorithms to ensure they have the required non-reproducibility and non-periodicity. However, these communication protocols do not offer absolute security, and have certain weaknesses that can be exploited by some attackers. For example, the algorithms generating the random numbers are deterministic, and could be potentially reverse-engineered or simulated, putting at risk the privacy of the communications. To address this issue, researchers are devising novel techniques to improve the secure communications protocols, for instance by integrating an additional physical layer of security on top of the cryptographic algorithms. Additionally, as an alternative to the algorithmic pseudo-random numbers, physical sources of entropy are investigated to generate true random numbers based on physical processes, such as from the noise in a diode. In this thesis, the use of randomness in fiber-based photonic devices is investigated as a potential solution to improve the security of existing cryptographic protocols. The research is oriented along two main axes. The first axis is based on the fabrication of new physical devices based on randomness, which are then used at multiple steps in the communication protocol. The second axis aims at developing a novel source of entropy, and evaluating its potential for random number generation. To address the first research axis, a novel type of random grating is developed, named the Random Optical Grating by Ultraviolet or ultrafast laser Exposure (ROGUE). This type of grating has unique characteristics that makes it perfectly well suited for secure communications applications. Indeed, each ROGUE has a complex, noise-based spectral signature that acts as a unique fingerprint. This unique fingerprint is then used to authenticate the user’s identity, or can alternatively used as the secret key at the heart of cryptographic protocols.