Kopš seniem laikiem cilvēki ir paļāvušies uz kriptogrāfiju, kodētu ziņojumu rakstīšanas un risināšanas mākslu, lai saglabātu savu noslēpumu. Piektajā gadsimtā uz ādas vai papīra tika ierakstīti šifrēti ziņojumi, un tos piegādāja cilvēka kurjers. Mūsdienās šifri palīdz aizsargāt mūsu digitālos datus, jo tie tiek saspiesti internetā. Rīt laukā var būt vēl viens lēciens; ar kvantu datoriem pie horizonta, kriptogrāfi izmanto fizikas spēkus, lai iegūtu līdz šim drošākos šifrus.
Slepenības glabāšanas vēsturiskās metodes
Vārds "kriptogrāfija" ir atvasināts no grieķu vārdiem "kryptos", kas nozīmē slēpts, un "grafīns", lai rakstītu. Tā vietā, lai fiziski slēptu ziņu no ienaidnieka acīm, kriptogrāfija ļauj divām pusēm sazināties redzamā vietā, bet valodā, kuru viņu pretinieks nespēj izlasīt.
Lai šifrētu ziņojumu, sūtītājam ir jā manipulē ar saturu, izmantojot kādu sistemātisku metodi, kas pazīstama kā algoritms. Sākotnējo ziņojumu, ko sauc par parasto tekstu, var sašifrēt, lai tā burti būtu nesaprotamā secībā vai arī katrs burts varētu tikt aizstāts ar citu. Iegūtie jucekļi ir zināmi kā šifrēti, liecina avārijas kursa datorzinātne.
Grecian laikos Spartas militārpersonas šifrēja ziņojumus, izmantojot ierīci, ko sauca par scytale un kas sastāvēja no izdilis ādas brūces ap koka personālu, liecina Kriptogrāfijas vēstures centrs. Nevienoti uz joslas šķita nejaušu rakstzīmju virkne, bet, ja tā apvilkta noteikta lieluma personālam, burti tika sakārtoti vārdos. Šis burtu maiņas paņēmiens ir pazīstams kā transponēšanas šifrs.
Kama Sutra piemin alternatīvu algoritmu, kas pazīstams kā aizstāšana, iesakot sievietēm iemācīties metodi, kā noklusēt savus sakarus, ziņo The Atlantic. Lai izmantotu aizstāšanu, sūtītājs apmaina katru ziņojuma burtu uz citu; piemēram, "A" var kļūt par "Z" un tā tālāk. Lai atšifrētu šādu ziņojumu, sūtītājam un saņēmējam jāvienojas par to, kuras vēstules tiks apmainītas, tāpat kā Spartas karavīriem vajadzēja iegūt tāda paša izmēra scytale.
Pirmie kriptoanalītiķi
Īpašajām zināšanām, kas vajadzīgas, lai šifrētu tekstu pārveidotu vienkāršā tekstā, kas pazīstams kā atslēga, ir jābūt noslēpumam, lai nodrošinātu ziņojuma drošību. Lai uzlauztu šifru bez tā atslēgas, ir vajadzīgas lielas zināšanas un prasmes.
Aizstāšanas šifrs tika izlauzts cauri pirmajai tūkstošgadei - līdz brīdim, kad arābu matemātiķis al-Kindi saprata savu vājumu, saka "The Code Book" (Random House, 2011) autors Simons Singhs. Atzīmējot, ka daži burti tiek izmantoti biežāk nekā citi, al-Kindi spēja mainīt aizstāšanu, analizējot, kuri burti visbiežāk tiek saīsināti šifrētā tekstā. Arābijas zinātnieki kļuva par pasaules ievērojamākajiem kriptoanalītiķiem, liekot kriptogrāfiem pielāgot savas metodes.
Tā kā kriptogrāfijas metodes attīstījās, kriptoanalītiķi pastiprināja to apstrīdēšanu. Starp visslavenākajiem sadursmēm šajā notiekošajā kaujā bija sabiedroto centieni sagraut vācu Enigma mašīnu Otrā pasaules kara laikā. Enigma mašīna šifrēja ziņojumus, izmantojot aizstāšanas algoritmu, kura sarežģītā atslēga mainījās katru dienu; savukārt kriptoanalītiķis Alans Turings izstrādāja ierīci ar nosaukumu "bumba", lai izsekotu Enigma mainīgajiem iestatījumiem, liecina ASV Centrālā izlūkošanas pārvalde.
Kriptogrāfija interneta laikmetā
Digitālajā laikmetā šifrēšanas mērķis paliek tas pats: novērst, ka pretinieks pārspiež informāciju, ar kuru apmainās divas puses. Datorzinātnieki abas puses bieži dēvē par "Alisi un Bobu", izdomātas entītijas, kuras pirmo reizi ieviesa 1978. gada rakstā, kurā aprakstīta digitālās šifrēšanas metode. Alisi un Bobu pastāvīgi traucē nepatīkams noklausītājs, kura vārds ir “Ieva”.
Visu veidu lietojumos tiek izmantota šifrēšana, lai saglabātu mūsu datu drošību, ieskaitot kredītkaršu numurus, medicīniskos ierakstus un kriptovalūtas, piemēram, Bitcoin. Blockchain, tehnoloģija, kas nodrošina Bitcoin, savieno simtiem tūkstošu datoru, izmantojot izplatītu tīklu, un izmanto kriptogrāfiju, lai aizsargātu katra lietotāja identitāti un uzturētu pastāvīgu viņu darījumu žurnālu.
Datortīklu ienākšana ieviesa jaunu problēmu: ja Alise un Bobs atrodas pretējās zemeslodes pusēs, kā viņiem ir kopīga slepenā atslēga, Ievai to neaizķerot? Kā raksta Khan Academy, kā risinājums parādījās publiskās atslēgas kriptogrāfija. Shēmā tiek izmantotas vienvirziena funkcijas - matemātika, kuru ir viegli izpildīt, bet kuru ir grūti mainīt, ja nav galvenās informācijas. Alise un Bobs apmainās ar šifrētu tekstu un publisko atslēgu Ievas modrajam skatienam, taču katrs glabā sev privātu atslēgu. Izmantojot šifrētā teksta abas privātās atslēgas, pāris sasniedz kopīgu risinājumu. Tikmēr Ieva cīnās, lai atšifrētu viņu mazos pavedienus.
Plaši izmantota publiskās atslēgas kriptogrāfijas forma, ko sauc par RSA šifrēšanu, sāk sarežģīt galveno faktorizācijas sarežģīto raksturu - atrodot divus sākotnējos skaitļus, kas reizinās, lai iegūtu jums konkrētu risinājumu. Divu sākotnējo skaitļu reizināšana vispār neprasa laiku, bet pat ātrākajiem datoriem uz Zemes var paiet simtiem gadu, lai mainītu procesu. Alise izvēlas divus numurus, uz kuriem balstīt savu šifrēšanas atslēgu, atstājot Ievai veltīgu uzdevumu šos ciparus sakopot.
Kvantu lēciena veikšana
Meklējot nesalaužamu šifru, mūsdienu kriptogrāfi meklē kvantu fiziku. Kvantu fizika apraksta matērijas savādo izturēšanos neticami mazos mērogos. Tāpat kā slavenais Šrēdingera kaķis, subatomiskās daļiņas vienlaicīgi pastāv daudzos štatos. Bet, atverot kasti, daļiņas ieslīd vienā novērojamā stāvoklī. 70. un 80. gados fiziķi sāka izmantot šo bailīgo īpašumu, lai šifrētu slepenus ziņojumus - metodi, kas mūsdienās pazīstama kā “kvantu atslēgu izplatīšana”.
Tāpat kā atslēgas var kodēt baitos, arī fiziķi tagad kodē daļiņu, parasti fotonu, īpašībās. Neveiksmīgajam noklausītājam ir jāizmēra daļiņas, lai nozagtu atslēgu, taču visi mēģinājumi to izdarīt maina fotonu izturēšanos, brīdinot Alisi un Bobu par drošības pārkāpumu. Šī iebūvētā trauksmes sistēma padara kvantu atslēgu izplatīšanu "droši drošu", ziņoja Wired.
Kvantu atslēgas var apmainīt lielos attālumos, izmantojot optiskās šķiedras, bet alternatīvs izplatīšanas ceļš izraisīja fiziķu interesi 1990. gados. Artūra Ekerta piedāvātais paņēmiens ļauj diviem fotoniem sazināties lielos attālumos, pateicoties parādībai, ko sauc par "kvantu sapīšanos".
"Kvantu objektiem ir šī pārsteidzošā īpašība, ja jūs tos atdalāt pat simtiem jūdžu attālumā, viņi var savā starpā justies," sacīja Ekerts, tagadējais Oksfordas profesors un Singapūras Nacionālās universitātes Kvantu tehnoloģiju centra direktors. Sapinušās daļiņas uzvedas kā viena vienība, ļaujot Alisei un Bobai izgatavot kopēju atslēgu, veicot mērījumus katrā galā. Ja noklausītājs dzird mēģinājumu pārtvert atslēgu, daļiņas reaģē un mērījumi mainās.
Kvantu kriptogrāfija ir kas vairāk nekā abstrakts jēdziens; 2004. gadā pētnieki iesprausto fotonu veidā pārskaitīja 3000 eiro uz bankas kontu, ziņo Popular Science. 2017. gadā pētnieki no satelīta Micius nošāva divus iespīlētus fotonus uz Zemi, saglabājot to savienojumu virs rekorda 747 jūdzes (1203 kilometri), ziņo New Scientist. Daudzi uzņēmumi tagad ir iesaistīti sacensībā, lai attīstītu kvantu kriptogrāfiju komerciāliem lietojumiem, līdz šim gūstot zināmus panākumus.
Lai garantētu kiberdrošības nākotni, viņi var arī sacensties pret pulksteni.
"Ja būs kvantu dators, esošās kriptogrāfijas sistēmas, ieskaitot tās, kas ir kriptovalūtu pamatā, vairs nebūs drošas," Ekerts stāstīja Live Science. "Mēs precīzi nezinām, kad tieši tie tiks uzbūvēti - mums tagad bija labāk sākt kaut ko darīt."
