Après une thèse et un post-doctorat à l'université de Pise, Stefano Di Matteo est recruté en 2024 par le CEA comme ingénieur-chercheur et titulaire d'une chaire du projet PQ-TLS, porté par l'ANR[1] dans le cadre du PEPR[2] Quantique de France 2030.
« J'ai été attiré par l'environnement propice aux échanges avec des experts de la cryptographie au Leti, se souvient-il. C'est d'ailleurs de cette proximité qu'est née la collaboration avec Emanuele. »
Ses recherches portent sur l'implémentation matérielle de la cryptographie post-quantique, comme il l'explique :
« Il s'agit d'intégrer des algorithmes conçus pour résister aux attaques des futurs ordinateurs quantiques, directement dans les composants physiques, plutôt que dans un logiciel. »
Diplômé de l'École polytechnique de Turin, Emanuele Valea a consacré sa thèse faite à Montpellier, à la cybersécurité matérielle pour la sécurisation des circuits intégrés et l'implémentation de la cryptographie. Il rejoint alors le CEA-List à Grenoble en 2020.
« J'aimais l'idée d'une recherche appliquée, fruit de collaborations entre expertises différentes, témoigne-t-il. Au CEA, on fabrique les puces sur lesquelles on travaille pour en voir les résultats concrets ».
Accélérer la cryptographie post-quantique
Des ordinateurs quantiques pourraient un jour déchiffrer les schémas cryptographiques actuels. Pour anticiper cette menace, la cryptographie post-quantique s'est développée, qui repose sur des modèles mathématiques résistant aux attaques quantiques. Depuis 2024, des standards de cryptographie post-quantique existent, dont l'algorithme ML-KEM, dédié à l'échange de clés sécurisé. Reste à les intégrer dans les microcontrôleurs de systèmes embarqués. Ces puces disposent généralement d'accélérateurs matériels pour exécuter efficacement les fonctions cryptographiques.
« Notre défi consiste à concevoir ces accélérateurs, absents des circuits du commerce, confie Stefano. Nous nous sommes concentrés sur la transformée[3] en théorie des nombres (NTT), une brique arithmétique qui pèse lourd dans le temps d'exécution de ML-KEM. » Emanuele poursuit : « La littérature propose diverses architectures NTT, mais aucune étude ne guidait leur intégration dans un microcontrôleur complet. Notre approche a donc consisté à traiter l'accélération comme un problème d'intégration système. »
Les chercheurs ont évalué plusieurs architectures et plusieurs scénarios d'intégration, en cherchant les plus généraux possible. Leur constat ? Les performances d'un accélérateur NTT ne dépendent pas uniquement de sa capacité de calcul. Son intégration dans le système, notamment la gestion des données dans les architectures de communication partagées bus et les mémoires, ainsi que les mécanismes de transfert entre le processeur et l'accélérateur, peut avoir un impact majeur sur ses performances globales.
L'étude récompensée par le Best Paper Award constitue un véritable guide pour intégrer les accélérateurs dans les microcontrôleurs. Les concepteurs peuvent alors estimer les performances atteignables selon la surface et les ressources de leur puce.
Des cartes à puce aux contrôleurs industriels
« Notre objectif est désormais d'apporter une cryptographie post-quantique suffisamment sécurisée et performante sur les dispositifs embarqués, comme des cartes bancaires ou des badges d'accès, pour être réellement utilisée », affirme Stefano Di Matteo.
Ces travaux intéressent tout industriel qui conçoit des systèmes électroniques appelés à migrer vers la cryptographie post-quantique. C'est le cas des fabricants de contrôleurs industriels, qui chiffrent déjà leurs données. Le CEA a mené plusieurs projets industriels sur ce sujet et accompagne des PME, moins préparées que les grands groupes à cette transition. À la clé se joue la sécurité des communications, des infrastructures et des objets connectés de demain.
[1] Agence Nationale de la Recherche
[2] Programme et Equipements Prioritaires de Recherche
[3] Une transformée désigne le résultat d'une opération ou d'une modification qui fait passer un objet, une fonction ou une figure d'un état à un autre.