От древни времена хората разчитат на криптографията, на изкуството да пишат и решават кодирани съобщения, за да запазят своите тайни. През пети век шифрованите послания били надписани върху кожа или хартия и доставени от човешки пратеник. Днес шифрите помагат да се защитят нашите цифрови данни, тъй като цип през интернет. Утре полето може да направи още един скок; с квантовите компютри на хоризонта, криптографите докосват силата на физиката, за да произведат най-сигурните шифри до момента.
Исторически методи за пазене на тайни
Думата „криптография“ произлиза от гръцките думи „крипто“, което означава скрит и „графеин“, за да се пише. Вместо да скрие физически съобщение от очите на врага, криптографията позволява на две страни да комуникират ясно, но на език, който техният противник не може да чете.
За да кодира съобщение, подателят трябва да манипулира съдържанието, използвайки систематичен метод, известен като алгоритъм. Оригиналното съобщение, наречено просто текст, може да бъде разшифровано, така че буквите му да се подреждат в неразбираем ред или всяка буква да бъде заменена с друга. Полученият гибел е известен като шифротекст, според Crash Course Computer Science.
В гръцки времена спартанските военни шифровали съобщения, използвайки устройство, наречено сцитале, което се състоело от кльощава ивица от кожа, навита около дървен персонал, според Центъра за криптологична история. Развита, лентата сякаш носи низ от случайни знаци, но ако е навита около тояга с определен размер, буквите се подравняват в думи. Тази техника на разбъркване на букви е известна като шифър за транспониране.
Кама Сутра споменава алтернативен алгоритъм, известен като заместване, като препоръчва на жените да научат метода, за да съхраняват записи на своите връзки скрити, съобщи The Atlantic. За да използва замяната, подателят разменя всяка буква в съобщение за друга; например "A" може да се превърне в "Z" и така нататък. За да дешифрирате такова съобщение, изпращачът и получателят трябва да се споразумеят кои писма ще бъдат разменяни, точно както спартанските войници се нуждаят за притежаване на еднакъв размер сцитале.
Първите криптоаналитици
Специфичните знания, необходими за връщане на шифротекст в незабележим текст, известен като ключ, трябва да се пазят в тайна, за да се гарантира сигурността на съобщението. За да напукаш шифър без ключа му са необходими големи знания и умения.
Шифърът за заместване премина през първото хилядолетие А. Д. - докато арабският математик ал-Кинди осъзнава слабостта си, според Саймън Сингх, автор на „Книгата с кодове“ (Random House, 2011). Отбелязвайки, че определени букви се използват по-често от други, ал-Кинди успя да обърне заместванията, като анализира кои букви се изрязват най-често в шифротекст. Арабските учени станаха най-големите криптоаналитици в света, принуждавайки криптографите да адаптират своите методи.
С напредването на методите на криптографията криптоаналитиците се активизират, за да ги предизвикат. Сред най-известните схватки в тази продължаваща битка бяха усилията на съюзниците да разбият германската машина Enigma по време на Втората световна война. Enigma машината криптира съобщения, използвайки алгоритъм за заместване, чийто сложен ключ се променя ежедневно; от своя страна криптоаналитикът Алън Тюринг разработи устройство, наречено "бомба", за да проследи променящите се настройки на Enigma, според американското Централно разузнавателно управление.
Криптография в ерата на интернет
В дигиталната ера целта на криптографията остава същата: да се предотврати размяната на информация между две страни от противник. Компютърните учени често наричат двете страни като "Алис и Боб", измислени образувания, въведени за първи път в статия от 1978 г., описваща дигиталния метод на криптиране. Алис и Боб постоянно се притесняват от досаден подслушвател, наречен „Ева“.
Всички видове приложения използват криптиране, за да запазят данните ни, включително номера на кредитни карти, медицински записи и криптовалути като Bitcoin. Blockchain, технологията зад Bitcoin, свързва стотици хиляди компютри чрез разпределена мрежа и използва криптография, за да защити самоличността на всеки потребител и да поддържа постоянен регистър на транзакциите си.
Появата на компютърните мрежи доведе до нов проблем: ако Алис и Боб са разположени на противоположните страни на земното кълбо, как споделят секретен ключ, без Ева да го задейства? Криптографията с публичен ключ се появи като решение, според Академия Хан. Схемата се възползва от еднопосочни функции - математика, която е лесна за изпълнение, но трудна за преобръщане без ключови информации. Алис и Боб си разменят шифротекста и публичния ключ под зоркия поглед на Ева, но всеки от тях държи частен ключ за себе си. Прилагайки и двата частни ключа към шифротекста, двойката достига до споделено решение. Междувременно Ева се бори да дешифрира оскъдните си улики.
Широко използваната форма на криптография с публичен ключ, наречена RSA криптиране, се вписва в сложния характер на основната факторизация - намиране на две прости числа, които се умножават заедно, за да ви дадат конкретно решение. Умножаването на две прости числа изобщо не отнема време, но дори и най-бързите компютри на Земята могат да отнемат стотици години, за да обърнат процеса. Алис избира две числа, на които да изгради своя ключ за криптиране, оставяйки на Ева безредната задача да изкопае тези цифри по трудния начин.
Предприемане на квантов скок
В търсене на нечуплив шифър, днешните криптографи се стремят към квантовата физика. Квантовата физика описва странно поведение на материята при невероятно малки мащаби. Подобно на известната котка на Шрьодингер, субатомните частици съществуват едновременно в много състояния. Но когато кутията се отвори, частиците щракват в едно наблюдавано състояние. През 70-те и 80-те физиците започват да използват това фънки свойство за криптиране на секретни съобщения, метод, известен сега като "квантово разпределение на ключовете".
Точно както ключовете могат да бъдат кодирани в байтове, сега физиците кодират ключове в свойствата на частици, обикновено фотони. Един злобен подслушвател трябва да измерва частиците, за да открадне ключа, но всеки опит за това променя поведението на фотоните, предупреждавайки Алис и Боб за нарушаване на сигурността. Тази вградена алармена система прави квантовото разпределение на ключовете "доказано сигурно", съобщи Wired.
Квантовите ключове могат да се обменят на дълги разстояния чрез оптични влакна, но алтернативен път на разпространение предизвика интереса на физиците през 90-те години. Предложена от Артур Екерт, техниката позволява на два фотона да комуникират на огромни разстояния благодарение на феномен, наречен „квантово заплитане“.
"квантовите обекти имат това невероятно свойство, където ако ги разделите, дори и на стотици километри, те могат да се чувстват един друг", казва Екерт, сега професор в Оксфорд и директор на Центъра за квантови технологии в Националния университет в Сингапур. Заплетените частици се държат като една единица, което позволява на Алис и Боб да изработят споделен ключ, като правят измервания на всеки край. Ако подслушвател се опита да прехване ключа, частиците реагират и измерванията се променят.
Квантовата криптография е повече от абстрактно понятие; през 2004 г. изследователите преведоха 3000 евро в банкова сметка чрез заплетени фотони, съобщи Popular Science. През 2017 г. изследователите заснеха два сплетени фотона на Земята от спътника Micius, поддържайки връзката им за рекордните 747 мили (1 203 километра), според New Scientist. Много компании вече са заключени в надпревара за разработване на квантова криптография за търговски приложения, с известен успех досега.
За да гарантират бъдещето на киберсигурността, те също могат да се състезават срещу часовника.
"Ако има квантов компютър, съществуващите криптографски системи, включително тези, които са в основата на криптовалутите, вече няма да бъдат сигурни", казва Екерт пред Live Science. "Не знаем точно кога точно ще бъдат построени - по-добре да започнем да правим нещо сега."
