מאז ימי קדם, אנשים הסתמכו על קריפטוגרפיה, אומנות הכתיבה והפתרון של הודעות מקודדות, כדי לשמור על סודותיהם מאובטחים. במאה החמישית הודבקו הודעות מוצפנות על עור או נייר והועברו על ידי שליח אנושי. כיום הצ'פרים עוזרים להגן על הנתונים הדיגיטליים שלנו בזמן שהם רוכזים דרך האינטרנט. מחר, השדה עשוי לעשות קפיצת מדרגה נוספת; עם מחשבים קוונטיים באופק, קריפטוגרפים מקישים את כוחה של הפיזיקה לייצר את הצ'יפים הבטוחים ביותר עד כה.
שיטות היסטוריות לשמירת סוד
המילה "קריפטוגרפיה" נגזרת מהמילים היווניות "קריפטוס", שמשמעותה נסתרת, ו"גראפיין ", לכתיבה. במקום להסתיר פיזית מסר מעיני האויב, הקריפטוגרפיה מאפשרת לשני הצדדים לתקשר בפראות אך בשפה שיריבם אינו יכול לקרוא.
כדי להצפין הודעה, על השולח לתפעל את התוכן בשיטה שיטתית כלשהי, המכונה אלגוריתם. ההודעה המקורית, הנקראת פשוט טקסט, עשויה להיות מקושקשת כך שהאותיות שלה מתיישרות בסדר לא מובן או שתוכל להחליף כל אות אחר. הג'יבריש שהתקבל מכונה "צופן טקסט", על פי מדעי המחשב Crash Course.
בתקופה Grecian, הצבא הספרטני הצפין הודעות באמצעות מכשיר שנקרא scytale, שהורכב מרצועת עור רזה סביב פגז עץ, על פי המרכז להיסטוריה קריפטולוגית. הרצועה נפרשה כמי שנשאה מחרוזת של תווים אקראיים, אך אם היא מתפתלת סביב צוות בגודל מסוים, האותיות יישרו למילים. טכניקה זו של ערבוב אותיות ידועה כצופן טרנספוזיציה.
ה- Kama Sutra מזכיר אלגוריתם חלופי, המכונה החלפה, וממליץ כי נשים ילמדו את השיטה כדי לשמור על רישום הקשר שלהן, כך דווח באטלנטיק. כדי להשתמש בהחלפה, השולח מחליף כל אות בהודעה לאחר; למשל, "A" עשוי להפוך ל- "Z" וכן הלאה. כדי לפענח הודעה כזו, השולח והנמען צריכים להסכים על אילו אותיות יוחלפו, בדיוק כמו שחיילים ספרטנים היו צריכים להחזיק באותו שטח קטן.
הקריפטנליסטים הראשונים
יש לשמור בסוד את הידע הספציפי הדרוש כדי להחזיר קידוד לטקסט הפשוט, המכונה המפתח, כדי להבטיח את אבטחת ההודעה. לפיצוח צופן ללא המפתח שלו דורש ידע ומיומנות רבה.
צופן ההחלפה לא נעקע באלף הראשון של A.D. - עד שהמתמטיקאי הערבי אל-קינדי הבין את חולשתו, לפי סימון סינג, מחבר הספר "ספר הקוד" (Random House, 2011). בציין כי אותיות מסוימות משמשות בתדירות גבוהה יותר מאחרות, אל-קינדי הצליח לשנות תחליפים על ידי ניתוח אילו אותיות שנחתכו בתדירות הגבוהה ביותר בצפורת טקסט. חוקרים ערבים הפכו להיות הקריפטנליטיקאים הגדולים בעולם, ואילצו את הקריפטוגרפים להתאים את שיטותיהם.
ככל שמתקדמות שיטות קריפטוגרפיה, הצליחו הקריפטנליסטים לאתגר אותם. בין ההתכתשויות הידועות ביותר בקרב מתמשך זה היה המאמץ של בעלות הברית לשבור את מכונת האניגמה הגרמנית במלחמת העולם השנייה. מכונת אניגמה הצפינה הודעות באמצעות אלגוריתם החלפה שהמפתח המורכב שלו השתנה מדי יום; בתורו, הקריפטנליסט אלן טיורינג פיתח מכשיר בשם "הפצצה" כדי לעקוב אחר ההגדרות המשתנות של אניגמה, על פי סוכנות הביון המרכזית של ארה"ב.
קריפטוגרפיה בעידן האינטרנט
בעידן הדיגיטלי, מטרת הקריפטוגרפיה נותרה זהה: למנוע שהמידע שהוחלף בין שני מפלגות מוחלף על ידי יריב. מדעני מחשבים מתייחסים לרוב לשתי המפלגות כאל "אליס ובוב", ישויות בדיוניות שהוצגו לראשונה במאמר משנת 1978 המתאר שיטת הצפנה דיגיטלית. אליס ובוב מוטרדים כל הזמן מצותת-עור מצולקת בשם "חוה".
כל מיני אפליקציות משתמשות בהצפנה לשמירה על אבטחת הנתונים שלנו, כולל מספרי כרטיסי אשראי, רשומות רפואיות ו cryptocur מטבעות כמו ביטקוין. Blockchain, הטכנולוגיה העומדת מאחורי ביטקוין, מחברת מאות אלפי מחשבים באמצעות רשת מבוזרת ומשתמשת בקריפטוגרפיה כדי להגן על זהותו של כל משתמש ולשמור על יומן קבוע של העסקאות שלהם.
הופעתן של רשתות מחשבים הציגה בעיה חדשה: אם אליס ובוב נמצאים משני צדי הגלובוס, איך הם חולקים מפתח סודי מבלי שחווה תיתן אותו? על פי נתוני האקדמיה חאן, הקריפטוגרפיה של המפתח הציבורי הופיעה כפתרון. התוכנית מנצלת פונקציות חד כיווניות - מתמטיקה שקל לבצע אך קשה להפוך אותה ללא פיסות מידע מרכזיות. אליס ובוב מחליפים את הצופן שלהם ואת המפתח הציבורי תחת מבטה הפקוח של חוה, אך כל אחד מהם שומר על מפתח פרטי לעצמם. על ידי החלת שני המפתחות הפרטיים על הצופן, הזוג מגיע לפיתרון משותף. בינתיים, חווה נאבקת לפענח את הרמזים הדלילים שלהם.
צורה שנמצאת בשימוש נרחב של קריפטוגרפיה של מפתח ציבורי, המכונה הצפנת RSA, מתהדרת באופי המסובך של פקטורזציה ראשונית - מציאת שני מספרים ראשוניים שמתרבים יחד כדי לתת לך פיתרון ספציפי. הכפלת שני מספרים ראשוניים לא לוקח זמן, אבל אפילו המחשבים המהירים ביותר בכדור הארץ יכולים לקחת מאות שנים להפוך את התהליך. אליס בוחרת שני מספרים עליהם לבנות את מפתח ההצפנה שלה, ותשאיר לחווה את המשימה חסרת התוחלת לחפור את הספרות הללו בדרך הקשה.
לוקח קפיצת מדרגה
בחיפוש אחר צופן בלתי ניתן לשבירה, הקריפטוגרפים של ימינו מחפשים את הפיזיקה הקוונטית. פיזיקת הקוונטים מתארת את התנהגותם המוזרה של החומר בסולמות קטנים להפליא. כמו החתול המפורסם של שרדינגר, חלקיקים תת-אטומיים קיימים במדינות רבות בו זמנית. אך עם פתיחת התיבה החלקיקים עוברים למצב נצפה אחד. בשנות השבעים והשמונים החלו הפיזיקאים להשתמש בנכס פאנקי זה כדי להצפין הודעות סודיות, שיטה הידועה כיום בשם "חלוקת מפתח קוונטי".
כשם שניתן לקודד מפתחות בבתים, כעת פיזיקאים מקודדים מפתחות בתכונות של חלקיקים, לרוב פוטונים. מצותת-ציפורניים חייבת למדוד את החלקיקים בכדי לגנוב את המפתח, אך כל ניסיון לעשות זאת משנה את התנהגות הפוטונים, ומתריע בפני אליס ובוב על הפרת האבטחה. מערכת אזעקה מובנית זו הופכת את חלוקת המפתח הקוונטי ל"מאובטחת ", דיווחה Wired.
ניתן להחליף מפתחות קוונטיים למרחקים ארוכים דרך סיבים אופטיים, אך דרך חלוקה חלופית עוררה את התעניינותם של הפיזיקאים בשנות התשעים. הטכניקה, שהציע ארטור אקרט, מאפשרת לשני פוטונים לתקשר לאורך מרחקים גדולים בזכות תופעה המכונה "הסתבכות קוונטית".
"לאובייקטים קוונטיים יש את המאפיין המדהים הזה, שאם אתה מפריד ביניהם, אפילו יותר ממאות מיילים, הם יכולים להרגיש זה את זה", אמר אקרט, כיום פרופסור באוקספורד ומנהל המרכז לטכנולוגיות קוונטיות באוניברסיטה הלאומית של סינגפור. חלקיקים מסובכים מתנהגים כיחידה אחת, ומאפשרים לאליס ולבוב ליצור מפתח משותף על ידי ביצוע מדידות בכל קצה. אם ציפורן מנסה ליירט את המפתח, החלקיקים מגיבים והמדידות משתנות.
קריפטוגרפיה קוונטית היא יותר מאשר מושג מופשט; בשנת 2004 העבירו החוקרים 3,000 יורו לחשבון בנק באמצעות פוטונים מסתבכים, כך מדווח Popular Science. ב -2017, חוקרים ירו שני פוטונים מסתבכים לכדור הארץ מהלוויין מיקיוס, ושמרו על חיבורם לאורך שיא של 747 מיילים (1,203 קילומטרים), כך על פי New Scientist. חברות רבות כלואות כעת במירוץ לפיתוח קריפטוגרפיה קוונטית ליישומים מסחריים, עם הצלחה מסוימת עד כה.
כדי להבטיח את עתיד ביטחון הסייבר, הם עשויים להיות גם במירוץ נגד השעון.
"אם יש מחשב קוונטי, מערכות קריפטוגרפיה קיימות, כולל מערכות העומדות בבסיס cryptocururrency, כבר לא יהיו מאובטחות", אמר אקרט ל- Live Science. "אנחנו לא יודעים בדיוק מתי הם יבנו בדיוק - מוטב שנתחיל לעשות משהו עכשיו."
