Siden oldtiden har folk været afhængige af kryptografi, kunsten at skrive og løse kodede meddelelser for at holde deres hemmeligheder sikre. I det femte århundrede blev kodede meddelelser indskrevet på læder eller papir og leveret af en menneskelig messenger. I dag hjælper chiffer med at beskytte vores digitale data, når de lynlås via internettet. I morgen kan marken gøre endnu et spring; med kvantecomputere i horisonten tapper kryptografer grafikens fysiske kraft til at producere de mest sikre cifre til dato.
Historiske metoder til hemmeligholdelse
Ordet "kryptografi" stammer fra de græske ord "kryptos", der betyder skjult, og "graphein" til at skrive. I stedet for fysisk at skjule en besked fra fjendens øjne, tillader kryptografi to parter at kommunikere let, men på et sprog, som deres modstander ikke kan læse.
For at kryptere en meddelelse skal afsenderen manipulere indholdet ved hjælp af en systematisk metode, kendt som en algoritme. Den originale meddelelse, kaldet almindelig tekst, kan være krypteret, så dens bogstaver stiller op i en uforståelig rækkefølge, eller hvert bogstav kan blive erstattet med et andet. Det resulterende gibberish er kendt som en chiffertekst, ifølge Crash Course Computer Science.
I græsk tid krypterede det spartanske militær beskeder ved hjælp af en enhed kaldet en scytale, som bestod af en mager bånd af læder såret omkring et træstab ifølge Center for Cryptologic History. Afviklet så det ud til, at strimlen havde en streng tilfældige karakterer, men hvis de vikles omkring et stav af en bestemt størrelse, blev bogstaverne justeret i ord. Denne bogstavshuklingsteknik er kendt som en transpositionsciffer.
Kama Sutra nævner en alternativ algoritme, kendt som substitution, og anbefaler, at kvinder lærer metoden til at føre fortegnelser over deres forbindelser skjult, rapporterede The Atlantic. For at bruge substitution bytter afsenderen hvert bogstav i en meddelelse til en anden; for eksempel kan et "A" muligvis blive et "Z" og så videre. For at dekryptere en sådan meddelelse er afsenderen og modtageren nødt til at blive enige om, hvilke breve der skal udskiftes, ligesom spartanske soldater havde brug for at eje den samme størrelse.
De første kryptanalyster
Den specifikke viden, der er nødvendig for at vende en chiffertekst til klartekst, kendt som nøglen, skal holdes hemmelig for at sikre en meddelelses sikkerhed. At knække en chiffer uden dens nøgle kræver stor viden og dygtighed.
Substitutionscifferen gik uknækket gennem det første årtusinde A.D. - indtil den arabiske matematiker al-Kindi indså sin svaghed, ifølge Simon Singh, forfatter af "The Code Book" (Random House, 2011). Bemærk, at visse bogstaver bruges hyppigere end andre, al-Kindi var i stand til at vende substitutioner ved at analysere hvilke bogstaver, der hyppedes oftest i en chiffertekst. Arabiske lærde blev verdens fremste kryptanalystikere og tvang kryptografer til at tilpasse deres metoder.
Efterhånden som kryptografimetoder blev fremskredne, blev kryptanalytikere intensiveret for at udfordre dem. Blandt de mest berømte trefninger i denne igangværende kamp var den allierede indsats for at bryde den tyske Enigma-maskine under 2. verdenskrig. Enigma-maskinen krypterede meddelelser ved hjælp af en substitutionsalgoritme, hvis komplekse nøgle ændrede sig dagligt; på sin side udviklede kryptanalyst Alan Turing en enhed kaldet "bomben" til at spore Enigmas skiftende indstillinger, ifølge det amerikanske Central Intelligence Agency.
Kryptografi i en alder af internettet
I den digitale æra forbliver målet med kryptografi det samme: at forhindre, at oplysninger, der udveksles mellem to parter, bliver skudt af en modstander. Computervidenskabsmænd omtaler ofte de to parter som "Alice og Bob," fiktive enheder, der først blev introduceret i en artikel i 1978, der beskriver en digital krypteringsmetode. Alice og Bob er konstant generet af en irriterende aflytningsmand ved navn "Eve".
Alle former for applikationer anvender kryptering for at holde vores data sikre, herunder kreditkortnumre, medicinske poster og cryptocurrencies som Bitcoin. Blockchain, teknologien bag Bitcoin, forbinder hundretusinder af computere via et distribueret netværk og bruger kryptografi til at beskytte identiteten af hver bruger og vedligeholde en permanent log over deres transaktioner.
Fremkomsten af computernetværk introducerede et nyt problem: hvis Alice og Bob er placeret på modsatte sider af kloden, hvordan deler de en hemmelig nøgle uden at Eva har snagged den? Ifølge Khan Academy fremkom offentlig nøglekryptografi som en løsning. Ordningen drager fordel af envejsfunktioner - matematik, der er let at udføre, men vanskeligt at vende uden nøgleoplysninger. Alice og Bob udveksler deres chiffertekst og en offentlig nøgle under Evas vågne blik, men hver har en privat nøgle til sig selv. Ved at anvende begge private nøgler på chifferteksten når parret en delt løsning. I mellemtiden kæmper Eva for at dechiffrere deres sparsomme ledetråde.
En meget brugt form af offentlig nøglekryptografi, kaldet RSA-kryptering, tapper ind i den vanskelige karakter af primfaktorisering - at finde to primtall, der formere sig sammen for at give dig en specifik løsning. At multiplicere to primtal tager overhovedet ikke tid, men selv de hurtigste computere på Jorden kan tage hundreder af år at vende processen. Alice vælger to numre, hvorpå hun skal bygge sin krypteringsnøgle, hvorved Eva bliver den formålsløse opgave at grave disse cifre på den hårde måde.
At tage et kvantespring
På jagt efter en uknuselig chiffer ser nutidens kryptografer efter kvantefysik. Kvantefysik beskriver materiens underlige opførsel i utroligt små skalaer. Ligesom Schrödingers berømte kat findes subatomiske partikler i mange stater samtidig. Men når kassen åbnes, klikker partiklerne i en observerbar tilstand. I 1970'erne og 80'erne begyndte fysikere at bruge denne funky egenskab til at kryptere hemmelige meddelelser, en metode, der nu kaldes "kvantetastfordeling."
Ligesom nøgler kan kodes i bytes, koder fysikere nu nøgler i egenskaberne ved partikler, som regel fotoner. En afskrækkelig aflytter skal måle partiklerne for at stjæle nøglen, men ethvert forsøg på at gøre det ændrer fotonernes opførsel og advarer Alice og Bob om sikkerhedsbruddet. Dette indbyggede alarmsystem gør kvantetastfordeling "beviselig sikker", rapporteret Wired.
Kvantetaster kan udveksles over lange afstande gennem optiske fibre, men en alternativ distributionsvej skabte fysikernes interesse i 1990'erne. Teknikken er foreslået af Artur Ekert og tillader to fotoner at kommunikere over store afstande takket være et fænomen kaldet "kvanteforvikling".
"Kvanteobjekter har denne fantastiske egenskab, hvor hvis du adskiller dem, selv over hundreder af miles, kan de slags føle hinanden," sagde Ekert, nu professor i Oxford og direktør for Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore. Forfiltrede partikler opfører sig som en enhed, så Alice og Bob kan udforme en delt nøgle ved at tage målinger i hver ende. Hvis en aflytter forsøger at opfange nøglen, reagerer partiklerne, og målingerne ændres.
Kvantekryptografi er mere end en abstrakt forestilling; i 2004 overførte forskere 3.000 euro til en bankkonto ved hjælp af sammenfiltrede fotoner, rapporterede Popular Science. I 2017 skød forskere to sammenfiltrede fotoner til Jorden fra satellitten Micius og opretholdt deres forbindelse over en rekord 747 miles (1 203 kilometer), ifølge New Scientist. Mange virksomheder er nu indelukket i et løb om at udvikle kvantekryptografi til kommercielle applikationer med en vis succes hidtil.
For at garantere cybersikkerhedens fremtid kan de også være i et løb mod uret.
"Hvis der er en kvantecomputer, vil eksisterende kryptografisystemer, inklusive dem, der understøtter cryptocurrencies, ikke længere være sikre," fortalte Ekert til Live Science. "Vi ved ikke nøjagtigt, hvornår de nøjagtigt skal bygges - vi skulle bedre begynde at gøre noget nu."
