Hva er kryptografi?

Siden eldgamle tider har folk stolt på kryptografi, kunsten å skrive og løse kodede meldinger, for å holde hemmelighetene deres sikre. I det femte århundre ble kodede meldinger skrevet inn på lær eller papir og levert av en menneskelig messenger. I dag hjelper sifrene til å beskytte våre digitale data når de glipper over Internett. I morgen kan feltet gi enda et sprang; med kvantecomputere i horisonten, tapper kryptografer fysikkens kraft for å produsere de mest sikre sifrene til dags dato.

Historiske metoder for hemmelighetsbevaring

Ordet "kryptografi" er avledet av de greske ordene "kryptos", som betyr skjult, og "graphein", for å skrive. I stedet for å skjule en beskjed fra fiendens øyne, tillater kryptografi to parter å kommunisere med rene syn, men på et språk som motstanderen ikke kan lese.

For å kryptere en melding, må avsenderen manipulere innholdet ved hjelp av en systematisk metode, kjent som en algoritme. Den originale meldingen, kalt ren tekst, kan være kryptert, så bokstavene stiller seg opp i en uforståelig rekkefølge, eller hver bokstav kan erstattes med en annen. Det resulterende gibberish er kjent som en chiffertekst, ifølge Crash Course Computer Science.

I greskisk tid krypterte det spartanske militæret meldinger ved hjelp av en enhet som ble kalt en scytale, som besto av en mager stripe av skinn såret rundt et trestab, ifølge Center for Cryptologic History. Avviklet så det ut til at stripen hadde en streng tilfeldige tegn, men hvis de vikles rundt et stav av en viss størrelse, ble bokstavene justert i ord. Denne bokstav-blandingsteknikken er kjent som en transposjonssiffer.

The Kama Sutra nevner en alternativ algoritme, kjent som substitusjon, og anbefaler at kvinner lærer metoden for å holde oversikt over forbindelsene sine skjult, rapporterte The Atlantic. For å bruke substitusjon bytter avsenderen hver bokstav i en melding til en annen; for eksempel kan et "A" bli en "Z", og så videre. For å dekryptere en slik melding, må avsender og mottaker avtale hvilke brev som skal byttes, akkurat som spartanske soldater trengte å eie i samme størrelse.

De første kryptanalystene

Den spesifikke kunnskapen som er nødvendig for å omstille en chiffertekst til klartekst, kjent som nøkkelen, må holdes hemmelig for å sikre en meldings sikkerhet. Å knekke en chiffer uten nøkkelen krever stor kunnskap og dyktighet.

Substitusjonssifferen gikk ubrutt gjennom det første årtusenet A.D. - helt til den arabiske matematikeren al-Kindi innså sin svakhet, ifølge Simon Singh, forfatter av "The Code Book" (Random House, 2011). Merket at visse bokstaver brukes oftere enn andre, al-Kindi var i stand til å reversere erstatninger ved å analysere hvilke bokstaver som oftest ble beskåret i en chiffertekst. Arabiske lærde ble verdens fremste kryptanalytikere, og tvang kryptografer til å tilpasse metodene sine.

Etter hvert som kryptografimetodene avanserte, gikk kryptanalytikere opp for å utfordre dem. Blant de mest berømte trefningene i dette pågående slaget var den allierte innsatsen for å bryte den tyske Enigma-maskinen under andre verdenskrig. Enigma-maskinen krypterte meldinger ved hjelp av en substitusjonsalgoritme hvis komplekse nøkkel endres daglig; på sin side utviklet kryptanalyst Alan Turing en enhet kalt "bomben" for å spore Enigmas endrede innstillinger, ifølge U.S. Central Intelligence Agency.

Kryptografi i en alder av internett

I den digitale epoken forblir målet med kryptografi det samme: å forhindre at informasjon som utveksles mellom to partier blir sveipt av en motstander. Dataforskere omtaler ofte de to partiene som "Alice og Bob," fiktive enheter som først ble introdusert i en artikkel fra 1978 som beskrev en digital krypteringsmetode. Alice og Bob blir stadig plaget av en irriterende avlyttersly som heter "Eve."

Alle slags applikasjoner bruker kryptering for å holde dataene våre sikre, inkludert kredittkortnumre, medisinske poster og kryptovalutaer som Bitcoin. Blockchain, teknologien bak Bitcoin, kobler hundretusener av datamaskiner via et distribuert nettverk og bruker kryptografi for å beskytte identiteten til hver bruker og opprettholde en permanent logg over sine transaksjoner.

Fremkomsten av datanettverk introduserte et nytt problem: hvis Alice og Bob er plassert på motsatte sider av kloden, hvordan deler de en hemmelig nøkkel uten at Eva snagger den? Offentlig nøkkelkryptografi dukket opp som en løsning, ifølge Khan Academy. Opplegget utnytter enveisfunksjoner - matematikk som er enkel å utføre, men vanskelig å reversere uten viktige opplysninger. Alice og Bob bytter ciffertekst og en offentlig nøkkel under Evas vaktsomme blikk, men hver har en privat nøkkel for seg selv. Ved å bruke begge private nøkler på chifferteksten, når paret en delt løsning. I mellomtiden sliter Eva med å tyde de sparsomme ledetrådene deres.

En mye brukt form for kryptografi av offentlig nøkkel, kalt RSA-kryptering, tapper inn i den vanskelige naturen til primfaktorisering - å finne to primtall som formerer seg sammen for å gi deg en spesifikk løsning. Å multiplisere to primtall tar ikke tid i det hele tatt, men selv de raskeste datamaskinene på jorden kan ta hundrevis av år å snu prosessen. Alice velger to tall som skal bygges på krypteringsnøkkelen sin, og lar Eva være den meningsløse oppgaven å grave opp sifrene på den harde måten.

Å ta et kvantesprang

På jakt etter en uknuselig chiffer, ser dagens kryptografer etter kvantefysikk. Kvantefysikk beskriver materiens rare oppførsel i utrolig små skalaer. Som Schrödingers berømte katt, finnes subatomiske partikler i mange stater samtidig. Men når boksen åpnes, smeller partiklene i en observerbar tilstand. På 1970- og 80-tallet begynte fysikere å bruke denne funky egenskapen for å kryptere hemmelige meldinger, en metode som nå er kjent som "kvantetastfordeling."

Akkurat som nøkler kan kodes i byte, koder fysikere nå nøkler i egenskapene til partikler, vanligvis fotoner. En afskrekkelig avlyttingsmåler må måle partiklene for å stjele nøkkelen, men ethvert forsøk på å gjøre dette endrer fotonenes oppførsel og varsler Alice og Bob om sikkerhetsbruddet. Dette innebygde alarmsystemet gjør fordelingen av kvantetastene "beviselig sikker," rapporterte Wired.

Kvantnøkler kan byttes over lange avstander gjennom optiske fibre, men en alternativ distribusjonsvei vakte fysikernes interesse på 1990-tallet. Teknikken er foreslått av Artur Ekert, og lar to fotoner kommunisere over store avstander takket være et fenomen som kalles "kvanteforvikling."

"[Entangled] kvanteobjekter har denne fantastiske egenskapen, hvis hvis du skiller dem, selv over hundrevis av miles, kan de slags føle hverandre," sa Ekert, nå professor i Oxford og direktør for Centre for Quantum Technologies ved National University av Singapore. Innfiltrede partikler oppfører seg som en enhet, slik at Alice og Bob kan lage en delt nøkkel ved å ta målinger i hver ende. Hvis en avlyttingsleder prøver å avskjære nøkkelen, reagerer partiklene og målingene endres.

Kvantekryptografi er mer enn en abstrakt forestilling; i 2004 overførte forskere 3000 euro til en bankkonto ved hjelp av sammenfiltrede fotoner, rapporterte Popular Science. I 2017 skjøt forskere to sammenfiltrede fotoner til jorden fra satellitten Micius, og opprettholdt forbindelsen over en rekord 747 miles (1 203 kilometer), ifølge New Scientist. Mange selskaper er nå låst i et løp om å utvikle kvantekryptografi for kommersielle applikasjoner, med en viss suksess så langt.

For å garantere cybersikkerhetens fremtid kan de også være i et løp mot klokka.

"Hvis det er en kvantemaskin, vil eksisterende kryptografisystemer, inkludert de som understøtter cryptocururrency, ikke lenger være sikre," fortalte Ekert. "Vi vet ikke nøyaktig når de skal bygges - vi burde begynne å gjøre noe nå."

Tilleggsressurser:

• Spill med en simulert gåte-maskin.
• Lær mer om cybersikkerhet med Crash Course.
• Oppdag rare "monster prime numbers" i denne TED-praten.