С древних времен люди полагались на криптографию, искусство написания и решения закодированных сообщений, чтобы сохранить свои секреты в безопасности. В пятом веке зашифрованные сообщения были начертаны на коже или бумаге и доставлены человеком-посланником. Сегодня шифры помогают защитить наши цифровые данные, когда они проникают в Интернет. Завтра поле может сделать еще один прыжок; С появлением квантовых компьютеров на горизонте криптографы используют возможности физики для создания самых безопасных на сегодняшний день шифров.
Исторические методы хранения секретов
Слово «криптография» происходит от греческих слов «криптос», что означает «скрытый», и «графеин», чтобы написать. Вместо того чтобы физически скрывать сообщение от вражеских глаз, криптография позволяет двум сторонам общаться на виду, но на языке, который их противник не может прочитать.
Чтобы зашифровать сообщение, отправитель должен манипулировать контентом, используя систематический метод, известный как алгоритм. Исходное сообщение, называемое открытым текстом, может быть зашифровано, поэтому его буквы располагаются в непонятном порядке, или каждая буква может быть заменена другой. По данным Crash Course Computer Science, полученная в результате тарабарщина называется шифротекстом.
Во времена греков спартанские военные зашифровывали сообщения, используя устройство, называемое косой, которое состояло из тонкой кожаной полосы, обмотанной вокруг деревянного посоха, согласно Центру криптологической истории. Развернутая полоса, казалось, несла цепочку случайных символов, но если ее обвивать посох определенного размера, буквы выстраивались в слова. Этот метод перестановки букв известен как шифр транспонирования.
В «Камасутре» упоминается альтернативный алгоритм, известный как «замена», который рекомендует женщинам изучать этот метод, чтобы скрыть записи своих связей, сообщает The Atlantic. Чтобы использовать подстановку, отправитель меняет каждую букву в сообщении на другую; например, «А» может стать «Z» и так далее. Чтобы расшифровать такое сообщение, отправителю и получателю необходимо договориться о том, какие письма будут поменяться местами, так же, как спартанским солдатам нужно было владеть косой одинакового размера.
Первые криптоаналитики
Специфические знания, необходимые для преобразования зашифрованного текста в открытый текст, известный как ключ, должны храниться в секрете, чтобы обеспечить безопасность сообщения. Взломать шифр без его ключа требует больших знаний и навыков.
Шифр замещения не был взломан в первом тысячелетии нашей эры - до тех пор, пока арабский математик аль-Кинди не осознал свою слабость, по словам Саймона Сингха, автора «Книги кодов» (Random House, 2011). Отмечая, что некоторые буквы используются чаще, чем другие, аль-Кинди смог отменить замены, проанализировав, какие буквы чаще всего появляются в зашифрованном виде. Арабские ученые стали ведущими криптоаналитиками в мире, заставляя криптографов адаптировать свои методы.
По мере развития методов криптографии, криптоаналитики стали оспаривать их. Среди самых известных стычек в этой продолжающейся битве были попытки союзников сломать немецкую машину загадки во время Второй мировой войны. Машина Enigma зашифровывала сообщения, используя алгоритм подстановки, чей сложный ключ менялся ежедневно; В свою очередь криптоаналитик Алан Тьюринг разработал устройство под названием «бомба» для отслеживания меняющихся настроек Enigma, сообщает Центральное разведывательное управление США.
Криптография в эпоху интернета
В цифровую эпоху цель криптографии остается той же: предотвратить обмен информацией между двумя сторонами противником. Ученые-компьютерщики часто называют эти две стороны «Алисой и Бобом», вымышленными сущностями, впервые представленными в статье 1978 года, описывающей метод цифрового шифрования. Алису и Боба постоянно беспокоит надоедливый подслушиватель по имени "Ева".
Все виды приложений используют шифрование для обеспечения безопасности наших данных, включая номера кредитных карт, медицинские записи и криптовалюты, такие как биткойны. Блокчейн, технология, лежащая в основе Биткойна, соединяет сотни тысяч компьютеров через распределенную сеть и использует криптографию для защиты личности каждого пользователя и ведения постоянного журнала их транзакций.
С появлением компьютерных сетей возникла новая проблема: если Алиса и Боб находятся на противоположных сторонах земного шара, как они могут делиться секретным ключом без того, чтобы Ева его не поймала? Криптография с открытым ключом возникла как решение, согласно Академии Хана. Схема использует преимущества односторонних функций - математика, которую легко выполнить, но которую трудно перевернуть без ключевых частей информации. Алиса и Боб обмениваются своим зашифрованным текстом и открытым ключом под пристальным взглядом Евы, но у каждого из них есть личный ключ. Применяя оба секретных ключа к зашифрованному тексту, пара достигает общего решения. Между тем, Ева изо всех сил пытается расшифровать их редкие подсказки.
Широко используемая форма криптографии с открытым ключом, называемая шифрованием RSA, использует сложную природу простой факторизации - поиск двух простых чисел, которые умножаются вместе, чтобы дать вам конкретное решение. Умножение двух простых чисел совсем не требует времени, но даже самым быстрым компьютерам на Земле могут потребоваться сотни лет, чтобы полностью изменить процесс. Алиса выбирает два числа, на которых строит свой ключ шифрования, оставляя Еве бесполезное задание копать эти цифры трудным путем.
Делая квантовый скачок
В поисках нерушимого шифра сегодняшние криптографы обращаются к квантовой физике. Квантовая физика описывает странное поведение материи в невероятно малых масштабах. Как и знаменитый кот Шредингера, субатомные частицы существуют одновременно во многих государствах. Но когда коробка открывается, частицы переходят в одно наблюдаемое состояние. В 1970-х и 80-х годах физики начали использовать это свойство в стиле фанк для шифрования секретных сообщений, метод, который теперь известен как «распределение квантовых ключей».
Так же, как ключи могут быть закодированы в байтах, физики теперь кодируют ключи в свойствах частиц, обычно фотонов. Гадкий подслушиватель должен измерить частицы, чтобы украсть ключ, но любая попытка сделать это изменяет поведение фотонов, предупреждая Алису и Боба о взломе системы безопасности. Эта встроенная система аварийной сигнализации делает квантовое распределение ключей «доказуемо безопасным», сообщает Wired.
Квантовые ключи можно обменивать на большие расстояния через оптические волокна, но альтернативный путь распространения вызвал интерес у физиков в 1990-х годах. Предложенный Артуром Экертом метод позволяет двум фотонам связываться на огромных расстояниях благодаря феномену, называемому «квантовой запутанностью».
«Квантовые объекты обладают этим удивительным свойством, когда вы разделяете их, даже за сотни миль, они могут чувствовать друг друга», - сказал Экерт, ныне профессор Оксфорда и директор Центра квантовых технологий в Национальном университете Сингапура. Запутанные частицы ведут себя как единое целое, что позволяет Алисе и Бобу создать общий ключ, проводя измерения на каждом конце. Если перехватчик пытается перехватить ключ, частицы реагируют, и измерения меняются.
Квантовая криптография - это не просто абстрактное понятие; В 2004 году исследователи перечислили 3000 евро на банковский счет посредством запутанных фотонов, сообщает Popular Science. По данным New Scientist, в 2017 году исследователи сняли два спутанных фотона на Землю со спутника Micius, поддерживая их связь на рекордных 747 милях (1 203 километра). Многие компании в настоящее время вовлечены в гонку по разработке квантовой криптографии для коммерческих приложений, и пока с некоторым успехом.
Чтобы гарантировать будущее кибербезопасности, они также могут участвовать в гонке на время.
«Если существует квантовый компьютер, существующие криптографические системы, в том числе те, которые лежат в основе криптовалют, больше не будут безопасными», - сказал Экерт в интервью Live Science. «Мы не знаем точно, когда именно они будут построены - нам лучше начать что-то делать сейчас».
