Reticulados em problemas de comunicação

Orientadores: Sueli Irene Rodrigues Costa, Vinay Anant VaishampayanTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação CientíficaResumo: O estudo de códigos no contexto de reticulados e outras constelações discretas para aplicações em comunicações é um tópico de interesse na área de teoria da informação. Certas construções de reticulados, como é o caso das Construções A e D, e de outras constelações que não são reticulados, como a Construção C, são utilizadas na decodificação multi-estágio e para quantização vetorial eficiente. Isso motiva a primeira contribuição deste trabalho, que consiste em investigar características da Construção C e propor uma nova construção baseada em códigos lineares, que chamamos de Construção $C^\star,$ analisando suas propriedades (condições para ser reticulado, uniformidade geométrica e distância mínima) e relação com a Construção C. Problemas na área de comunicações envolvendo reticulados podem ser computacionalmente difíceis à medida que a dimensão aumenta, como é o caso de, dado um vetor no espaço real $n-$dimensional, determinar o ponto do reticulado mais próximo a este. A segunda contribuição deste trabalho é a análise desse problema restrito a um sistema distribuído, ou seja, onde o vetor a ser decodificado possui cada uma de suas coordenadas disponíveis em um nó distinto desse sistema. Nessa investigação, encontramos uma solução aproximada para duas e três dimensões considerando a partição de Babai e também estudamos o custo de comunicação envolvidoAbstract: The study of codes in the context of lattices and other discrete constellations for applications in communications is a topic of interest in the area of information theory. Some lattice constructions, such as the known Constructions A and D, and other special nonlattice constellations, as Construction C, are used in multi-stage decoding and efficient vector quantization. This motivates the first contribution of this work, which is to investigate characteristics of Construction C and to propose a new construction based on linear codes that we called Construction $C^\star,$ analyzing its properties (latticeness, geometric uniformity and minimum distance) and relations with Construction C. Communication problems related to lattices can be computationally hard when the dimension increases, as it is the case of, given a real vector in the $n-$dimensional space, determine the closest lattice point to it. The second contribution of this work is the analysis of this problem restricted to a distributed system, i.e., where the vector to be decoded has each coordinate available in a separated node in this system. In this investigation, we find the approximate solution for two and three dimensions considering the Babai partition and study the communication cost involvedDoutoradoMatematica AplicadaDoutora em Matemática Aplicada140797/2017-3CNPQCAPE

Codes, lattices and applications in cryptography

Orientador: Sueli Irene Rodrigues CostaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação CientíficaResumo: Essa dissertação possui como objetivo abordar as teorias de códigos e de reticulados e o uso recente destas na proposição de sistemas criptográficos que fazem o uso de chaves públicas dentro da chamada criptografia pós-quântica. No primeiro capítulo introduzimos a teoria dos códigos corretores de erros, incluindo definições e particularmente propriedades de códigos bastante utilizados como os de Hamming, códigos cíclicos, códigos BCH e códigos de Goppa. No segundo capítulo apresentamos a caracterização de dois problemas difíceis (NP-completos) baseados na estrutura de códigos que são o problema de decodificação geral (GDP) e o problema de decodificação por síndromes (SDP), os quais fundamentam algoritmos baseados na dificuldade de resolvê-los, como os criptossistemas de McEliece e Niederreiter. O Capítulo 3 é dedicado à teoria de reticulados, seus conceitos básicos e à caracterização dos problemas difíceis de se determinar nesta estrutura - o problema do vetor mais curto (SVP) e o problema do vetor mais próximo (CVP). Apresentamos também um modo de se obter reticulados a partir de códigos lineares, utilizando a chamada Construção A e ferramentas de geometria dos números para explicar métodos que avaliam a implementação da criptografia baseada em reticulados. No último capítulo descrevemos algoritmos desta subárea da criptografia , como os criptossistemas GGH e NTRU. Todos esses fundamentos embasam temas muito recentes de pesquisa em criptografia, que visam não somente a busca de sistemas que possivelmente resistirão à implementação de computadores quânticos mas que sejam mais eficientes na evolução prevista para computadores clássicos atuaisAbstract: This dissertation has the aim of approaching the theory of codes and lattices and their recent use to propose public key cryptosystems in the so called post-quantum cryptography. In the first chapter we introduce the theory of error correcting codes, including definitons and particularly properties of larged used codes such as Hamming codes, cyclic codes, BCH codes and Goppa codes. In the second chapter we present a characterization of two hard problems (NP-complete) based on the code structure which are the general decoding problem (GDP) and the syndrome decoding problem (SDP), which underlie algorithms based on the difficulty of solving them, as the McEliece and the Niederreiter cryptosystems. Chapter 3 is devoted to lattice theory, its basic concepts and the characterization of hard problems in this structure ¿ the shortest vector problem (SVP) and the closest vector problem (CVP). We also present a way to obtain lattices from linear codes using the so called Construction A and some tools of geometry of numbers to explain methods to evaluate the implementation of encryption schemes based on lattices. In the last chapter, we describe algorithms of this subarea of cryptography, such as GGH and NTRU. All these fundaments give support to recent research topics in cryptography, intended not only to search for secure systems that will probably resist to the introduction of quantum computers but also to be more efficient considering the the evolution of the classical computersMestradoMatematica AplicadaMestra em Matemática Aplicad