自古以來，人們一直依賴密碼來傳遞有用的信息，這是一種關(guān)于加密和解密編碼信息的藝術(shù)。古代，加密的信息被寫在皮革或紙上，由人類信使傳遞；今天，信息在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，密碼則保護(hù)電子數(shù)據(jù)不被破譯；未來，密碼學(xué)可能會再次飛躍，隨著量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，密碼學(xué)家正在利用物理學(xué)的力量制造迄今為止最安全的密碼。

“cryptography”（密碼學(xué)）一詞源自希臘語“kryptos”，意思是隱藏，以及意為寫作的“graphein”，合起來就是隱藏寫作的意思。密碼學(xué)不是在視覺上隱藏信息以躲避他人的觀察，而是通過他人無法閱讀的語言進(jìn)行通信。

要加密消息，發(fā)件人必須使用被稱為算法（algorithm）的系統(tǒng)性***來改變內(nèi)容，對原始消息（明文，plaintext）進(jìn)行加密，使其字母或文字以無法理解的順序排列，或者每個字母被另一個字母替換，由此產(chǎn)生的亂碼被稱為密文（ciphertext）。

根據(jù)密碼學(xué)歷史中心（CenterforCryptologicHistory）的說法，在古希臘，斯巴達(dá)軍方使用一種叫做密碼棒（scytale）的裝置來加密信息，這種裝置由一條皮帶和一根木棍組成。在展開時，皮帶似乎只是一串隨機(jī)字符，但如果纏繞在一定大小的木棒上，字母會對齊成單詞。這種技術(shù)被稱為轉(zhuǎn)置密碼，也稱換位密碼（transpositioncipher）。

密碼棒（scytale）

還有一種簡單的加密***，稱為替換式密碼（substitutioncipher），具體操作起來就是：發(fā)送消息者將明文中的每個字母換成另一個字母，例如將所有“A”寫成“Z”，依此類推，最終替換完的文本就成了密文。為了解密這樣的消息，發(fā)送者和接收者需要就信息中的哪些字母被替換達(dá)成一致，就像斯巴達(dá)士兵需要擁有相同大小的密碼棒一樣。

將密文恢復(fù)為明文所需的具體***和規(guī)律，稱為密鑰。密鑰不被破解，才能保證消息的安全性。如果想在沒有密鑰的情況下破解密碼，需要大量的知識和技能，以及不可思議的計(jì)算量。

根據(jù)西蒙·辛格（SimonSingh）《密碼故事:人類智力的另類較量》（TheCodeBook）中的說法，一直到公元8世紀(jì)，***數(shù)學(xué)家肯迪（al-Kindi）意識到替換式密碼的弱點(diǎn)，這種使用了上千年的密碼才被破譯。

肯迪

肯迪注意到在所有拼寫語言中，某些字母的使用頻率遠(yuǎn)高于其他字母，如英語中高頻字母“e”“t”“n”等，在此基礎(chǔ)上通過分析在密文中最常出現(xiàn)的字母來反轉(zhuǎn)替換，最終破譯密碼?？系贤ㄟ^統(tǒng)計(jì)推理的***，讓***數(shù)學(xué)家成為了世界上最早的密碼分析師，迫使密碼學(xué)家改進(jìn)加密算法。

隨著密碼學(xué)的不斷進(jìn)步，密碼分析師們也開始了艱苦卓絕的升級。在密碼的“加密與破譯”這場永不停歇的戰(zhàn)斗中，最著名的激烈沖突發(fā)生在二戰(zhàn)期間——盟軍密碼分析師與德國恩尼格碼密碼機(jī)（Enigma）之間的恩怨。恩尼格碼機(jī)使用替換算法加密消息，其復(fù)雜密鑰每天都會更改。根據(jù)美國中央情報局的說法，英國數(shù)學(xué)家、密碼分析師艾倫·圖靈（AlanTuring）開發(fā)了一種名為“炸彈”的裝置來跟蹤恩尼格碼機(jī)的變化規(guī)律，在波蘭破譯小組的幫助下，最終破譯了恩尼格碼機(jī)。

進(jìn)入數(shù)碼時代，密碼學(xué)的目標(biāo)沒有變：防止溝通雙方交換的信息被第三個人知道。計(jì)算機(jī)科學(xué)家經(jīng)常將溝通雙方稱為“愛麗絲和鮑勃”，他們會被一個名叫“夏娃”的討厭偷聽者打擾。這種擬人化叫法最初是在1978年的一篇講述數(shù)字加密***的文章出現(xiàn)，隨后就成了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的流行詞。

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)引入了一個新的加密問題：如果愛麗絲和鮑勃位于地球的兩側(cè)，那么他們?nèi)绾卧诠_的互聯(lián)網(wǎng)中分享密鑰，而夏娃不會得到密匙呢？根據(jù)可汗學(xué)院（KhanAcademy，非營利性教育組織）的說法，公鑰加密（Publickeycryptography）成為最流行的解決方案，即愛麗絲和鮑勃在夏娃的監(jiān)視下交換他們的密文和公鑰，但雙方都為自己保留一把私鑰。通過將兩個私鑰應(yīng)用于密文，共享加密信息。

在《RSA密碼系統(tǒng)：歷史、算法、素?cái)?shù)》（TheRSACryptosystem：History、Algorithm、Primes）一書中，邁克爾·卡爾德班克（MichaelCalderbank）介紹了目前廣泛使用的公鑰加密技術(shù)，稱為RSA加密。這種加密法利用了素?cái)?shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)：將兩個素?cái)?shù)（大于1的自然數(shù)中，只能被1和自己整除的數(shù)）相乘毫不費(fèi)力，但給定一個數(shù)字，反推出它是由哪兩個素?cái)?shù)相乘的結(jié)果，就不那么容易了。如果這個數(shù)字夠大，那么即使是地球上最快的計(jì)算機(jī)，也可能需要數(shù)百年才能完成計(jì)算過程。

當(dāng)然，RSA加密也并非萬無一失，很多聰明人想到了破解***，比如通過記錄擁有密鑰計(jì)算機(jī)打開加密信息的速度，能夠反推出這個素?cái)?shù)密鑰的范圍。為了尋找更加先進(jìn)的加密技術(shù)，量子物理學(xué)登場了。

為了尋找一種牢不可破的密碼，今天的密碼學(xué)家們正在研究量子物理學(xué)。量子物理學(xué)以極小的尺度描述了物質(zhì)的“奇怪”行為，著名的例子就是薛定諤和他的貓。早在20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家就開始嘗試這種時髦的方式來加密消息，這種***現(xiàn)在被稱為“量子密鑰分配”。

傳統(tǒng)密鑰是以字節(jié)為單位編碼，量子加密則可以對粒子屬性編碼，這種粒子通常是光子。偷窺者夏娃必須通過測量光子來竊取密鑰，但根據(jù)量子力學(xué)，任何偷窺粒子的觀察行為，都會改變它的狀態(tài)。當(dāng)夏娃行動時，愛麗絲和鮑勃就會發(fā)現(xiàn)交流存在安全漏洞。

阿圖爾·?？颂兀ˋrturEkert）

20世紀(jì)90年代，牛津大學(xué)的阿圖爾·埃克特（ArturEkert）提出了一種新的量子加密技術(shù)，這種技術(shù)基于“量子糾纏”現(xiàn)象，允許兩個光子在很遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行實(shí)時通信。

“量子擁有這種神奇的屬性，如果你將它們分開，甚至超過數(shù)百千米，它們還會彼此感受到，”?？颂卣f，“這種特性允許愛麗絲和鮑勃***共享密鑰，并交流信息。如果竊聽者試圖攔截密鑰，則粒子就會有反應(yīng)，并且測量值會發(fā)生變化。溝通雙方發(fā)現(xiàn)竊聽者，立刻放棄交流，換另一種***。又因?yàn)榱孔油ㄐ攀菍?shí)時的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)竊聽者后，放棄信息傳輸，并不會泄露任何內(nèi)容?！?/p>

量子密碼學(xué)不僅僅是一個抽象的概念，如今已經(jīng)有了實(shí)踐案例。據(jù)有關(guān)媒體報道，2004年時，研究人員通過糾纏光子將3000歐元轉(zhuǎn)入了銀行賬戶。據(jù)《新科學(xué)家》（NewScientist）雜志報道，2017年，研究人員用衛(wèi)星向地球發(fā)射了兩個糾纏光子，使它們在1203千米的距離上實(shí)現(xiàn)了連接。

“如果你擁有一臺實(shí)力強(qiáng)勁的量子計(jì)算機(jī)，那么現(xiàn)有的加密系統(tǒng)，都不再是安全的了?！卑D爾·?？颂卣f，“我們不知道工程師何時造出這種計(jì)算機(jī)，但對于密碼學(xué)家來說，我們現(xiàn)在最好開始做點(diǎn)什么了。”

廁讀觀點(diǎn)：其實(shí)，自從文字被發(fā)明后，關(guān)于信息加密的需求就出現(xiàn)了，不管是經(jīng)濟(jì)、軍事、政治上的大事，還是情侶之間的柔情蜜語，人們都不希望被無關(guān)的人打聽到有用的信息，所以為了實(shí)現(xiàn)信息的安全傳遞，人們不斷更新加密技術(shù)，從密碼棒、換位密碼，到恩尼格碼機(jī)，再到量子加密技術(shù)。因?yàn)樾畔⒃絹碓街匾用芊ň偷迷絹碓礁呒?，雖然為了保住秘密，人們被折磨得疲憊不堪，焦頭爛額，但我們還在密碼游戲中玩得樂此不疲，這也許就是密碼學(xué)的魅力所在。

參考資料：

《CrashCourseComputerScience》

《密碼故事:人類智力的另類較量》（TheCodeBook）SimonSingh

《RSA密碼系統(tǒng)：歷史、算法、素?cái)?shù)》（TheRSACryptosystem：History、Algorithm、Primes）MichaelCalderbank

《新科學(xué)家》（NewScientist）