Od pradávna se lidé spoléhali na kryptografii, umění psaní a řešení kódovaných zpráv, aby byla jejich tajemství v bezpečí. V pátém století byly zašifrované zprávy napsány na kůži nebo papíru a doručovány lidským poslem. Dnes šifry pomáhají chránit naše digitální data, když se stahují přes internet. Zítra může pole udělat další skok; s kvantovými počítači na obzoru kryptografové využívají síly fyziky, aby vytvořili dosud nejbezpečnější šifry.
Historické metody utajování
Slovo "kryptografie" je odvozeno od řeckých slov "kryptos", což znamená skryté, a "graphein", aby se psalo. Spíše než fyzicky skrývat zprávu před nepřátelskými očima, umožňuje kryptografie dvěma stranám komunikovat v očích, ale v jazyce, který jejich protivník nedokáže přečíst.
Aby bylo možné zprávu zašifrovat, musí odesílatel manipulovat s obsahem pomocí nějaké systematické metody známé jako algoritmus. Původní zpráva, zvaná prostý text, může být zakódována tak, aby její písmena byla zarovnána v nesrozumitelném pořadí nebo každé písmeno mohlo být nahrazeno jiným. Podle Crash Course Computer Science je výsledný gibberish známý jako ciphertext.
V řeckých dobách spartská armáda šifrovala zprávy pomocí zařízení zvaného scytale, které sestávalo z hubeného pruhu kůže navinutého kolem dřevěného hůlky, podle Centra pro kryptologickou historii. Zdálo se, že pás nemá nosnou šňůru náhodných znaků, ale pokud je ovinul kolem osnovy určité velikosti, písmena zarovnána do slov. Tato technika přesouvání písmen je známá jako transpoziční šifra.
Kama Sutra zmiňuje alternativní algoritmus, známý jako substituce, který doporučuje ženám, aby se naučily metodu uchovávání záznamů o svých spojencích. Chcete-li použít nahrazení, odesílatel zaměňuje každé písmeno ve zprávě za jiné; například „A“ se může stát „Z“ a tak dále. Aby bylo možné takovou zprávu dešifrovat, musí se odesílatel a příjemce dohodnout na tom, které dopisy budou zaměněny, stejně jako spartští vojáci potřebovali vlastnit stejnou velikost pohádky.
První kryptanalytici
Aby bylo zajištěno zabezpečení zprávy, musí být utajeny specifické znalosti potřebné k tomu, aby se šifra vrátila do prostého textu, známého jako klíč. Rozbití šifry bez jejího klíče vyžaduje velké znalosti a dovednosti.
Substituční šifra se rozpadla během prvního tisíciletí A.D. - dokud si arabský matematik al-Kindi neuvědomil svou slabost, podle Simon Singh, autora knihy „The Code Book“ (Random House, 2011). Al-Kindi si všiml, že určitá písmena jsou používána častěji než ostatní, a dokázala zvrátit substituce tím, že analyzovala, která písmena se nejčastěji vyskytují v šifrovém textu. Arabští učenci se stali předními kryptoanalytiky na světě a nutili kryptografy, aby přizpůsobili své metody.
S postupujícími kryptografickými metodami se kryptanalyzátoři postavili na výzvu. Mezi nejslavnější potyčky v této probíhající bitvě patřilo spojenecké úsilí o rozbití německého stroje Enigma během druhé světové války. Stroj Enigma šifroval zprávy pomocí substitučního algoritmu, jehož složitý klíč se denně měnil; kryptanalyst Alan Turing vyvinul zařízení, které se nazývá „bomba“, aby sledovalo měnící se nastavení Enigmy, podle americké zpravodajské služby USA.
Kryptografie ve věku internetu
V digitální éře zůstává cíl kryptografie stejný: zabránit tomu, aby informace vyměňované mezi dvěma stranami byly protahovány protivníkem. Počítačoví vědci často označují tyto dvě strany jako „Alice a Bob“, fiktivní entity poprvé představené v článku z roku 1978 popisujícím metodu digitálního šifrování. Alice a Bob jsou neustále obtěžováni otravným odposlouchávačem jménem Eva.
Všechny druhy aplikací používají šifrování, aby byla naše data v bezpečí, včetně čísel kreditních karet, lékařských záznamů a kryptoměn, jako je bitcoin. Technologie Blockchain, která stojí za bitcoiny, spojuje stovky tisíc počítačů prostřednictvím distribuované sítě a používá kryptografii k ochraně identity každého uživatele a udržování trvalého protokolu o jejich transakcích.
Příchod počítačových sítí přinesl nový problém: pokud jsou Alice a Bob umístěny na opačných stranách zeměkoule, jak sdílejí tajný klíč, aniž by ho Eva zasekla? Podle Khan Academy se jako řešení objevila kryptografie veřejných klíčů. Schéma využívá jednosměrné funkce - matematiku, která se snadno provádí, ale je obtížné ji vrátit bez klíčových informací. Alice a Bob si pod dohledem Evy vyměňují svůj šifrový text a veřejný klíč, ale každý si ponechává soukromý klíč pro sebe. Použitím obou soukromých klíčů na ciphertext dvojice dosáhne sdíleného řešení. Mezitím se Eva snaží rozluštit své řídké stopy.
Široce používaná forma kryptografie s veřejným klíčem, nazývaná šifrování RSA, se napojuje na komplikovanou povahu prvotní faktorizace - nalezení dvou prvočísel, která se množí dohromady, aby vám poskytla konkrétní řešení. Vynásobení dvou prvočísel nezabere vůbec čas, ale i ty nejrychlejší počítače na Zemi mohou tento proces zvrátit stovky let. Alice vybere dvě čísla, na nichž bude stavět svůj šifrovací klíč, a Evě ponechává zbytečný úkol vykopat tyto číslice tvrdým způsobem.
S kvantovým skokem
Při hledání nerozbitné šifry hledají dnešní kryptografové kvantovou fyziku. Kvantová fyzika popisuje podivné chování hmoty v neuvěřitelně malých měřítcích. Stejně jako Schrödingerova slavná kočka existují subatomické částice v mnoha státech současně. Když se však krabička otevře, částice se zachytí do jednoho pozorovatelného stavu. V 70. a 80. letech začali fyzici používat tuto funky vlastnost k šifrování tajných zpráv, což je metoda, která se nyní nazývá „kvantová distribuce klíčů“.
Stejně jako klíče mohou být kódovány v bajtech, fyzici nyní kódují klíče ve vlastnostech částic, obvykle fotonů. Zlomný odposlouchávač musí měřit částice, aby ukradl klíč, ale jakýkoli pokus o změnu změní chování fotonů a upozorní Alice a Boba na narušení bezpečnosti. Tento vestavěný poplašný systém umožňuje kvantově distribuovanou distribuci klíčů „prokazatelně bezpečnou“, informoval Wired.
Kvantové klíče lze vyměnit na velké vzdálenosti optickými vlákny, ale alternativní cesta distribuce vzbudila zájem fyziků v 90. letech. Technika navržená Arturem Ekertem umožňuje komunikaci dvou fotonů na velké vzdálenosti díky jevu zvanému „kvantové zapletení“.
„Kvantové objekty mají tuto úžasnou vlastnost, kde pokud je oddělíte, i přes stovky mil, se mohou navzájem cítit,“ řekl Ekert, nyní Oxfordský profesor a ředitel Centra pro kvantové technologie na Národní univerzitě v Singapuru. Zamotané částice se chovají jako jedna jednotka, což umožňuje Alice a Bobovi vytvořit společný klíč měřením na každém konci. Pokud se odposlouchávač pokusí zachytit klíč, částice reagují a měření se změní.
Kvantová kryptografie je více než abstraktní pojem; v roce 2004 vědci převedli 3 000 EUR na bankovní účet pomocí zapletených fotonů, informoval Popular Science. V roce 2017 vědci zastřelili dva zapletené fotony na Zemi ze satelitu Micius a udrželi jejich spojení na rekordních 747 mil (1,203 km), podle New Scientist. Mnoho společností je nyní zamčeno v závodě o vývoj kvantové kryptografie pro komerční aplikace, s určitým úspěchem.
Aby byla zajištěna budoucnost kybernetické bezpečnosti, mohou být také v závodě proti času.
„Pokud existuje kvantový počítač, stávající kryptografické systémy, včetně těch, které jsou základem kryptoměn, již nebudou zabezpečeny,“ řekl Ekert Live Science. "Nevíme přesně, kdy přesně budou postaveny - měli bychom začít něco dělat hned teď."
