数字时代的雨伞：密码学的历史与发展

自古以来，人们就依靠密码学来保护自己的秘密。 密码学是编写和解密编码信息的艺术。 在五世纪，加密信息被刻在皮革或纸上，由人类信使传递。 今天，密码有助于保护我们的数字数据，因为它在互联网上快速传播。 明天，这个领域将再一次飞跃！ 随着量子计算机的出现，密码学家正在利用物理学的力量来生成有史以来最安全的密码。

机密历史法

“密码学”一词源自希腊语“kryptos”（隐藏）和“graphein”（书写）。 密码学并不是在物理上阻挡敌人的眼睛看不到信息，而是让通信双方在正常情况下可以用别人无法理解的语言进行通信。

要加密消息，发送方必须使用某种系统方法（称为算法）来操纵内容。 被称为纯文本的原始原始消息将被加扰，使其字母以难以理解的顺序排列，或者每个字母可能被另一个字母替换，由此产生的乱码被称为密文。

秘密消息的发送者提出了一种系统的方法来操纵只有接收者才能破译的消息上下文。 这种加扰的信息称为密文。

据密码学家称，在古希腊，斯巴达军队使用一种称为 scytale 的设备对信息进行加密，该设备由一条缠绕在木棍上的薄皮革条组成。 展开时，皮革条上似乎有一串随机的字符，但如果缠绕在一定大小的木棍上，字母就会排成一行。 这种改变字母的技术被称为换位密码。

另一种算法，替代法，据说在印度的爱经中有提到，建议女性学习使用这种方法来隐藏自己的爱情信息。 要使用替换，发件人将邮件中的每个字母替换为另一个字母。 例如，“a”可能会变成“z”等等。 要破译这样的信息，发送者和接收者必须就字母交换规则达成一致，就像斯巴达士兵需要有同样大小的镰刀一样。

第一位密码分析家

将密文恢复为明文所需的特定知识称为密钥，必须保密以确保消息的安全性。 如果你不用钥匙就破解密码，你需要大量的知识和高超的技能。

根据密码学家的说法，替代密码直到公元 1000 年才被破解，直到阿拉伯数学家 al-Kindi 意识到它的弱点。 他注意到某些字母的使用频率高于其他字母，而 al-Kindi 能够通过分析密文中出现频率最高的字母来执行反向替换。 因此，阿拉伯学者成为世界上最重要的密码分析家，从而迫使密码学家调整他们的方法。

Enigma（恩尼格玛密码机）

随着密码学方法的进步，密码分析家继续挑战它们。 在这场激烈而持续的战斗中最著名的小规模冲突之一是盟军在第二次世界大战期间试图破解德国密码机。 Enigma 使用一种替代算法加密消息，该算法的复杂密钥每天都在变化。 密码学家艾伦图灵开发了一种称为“炸弹”的设备来跟踪密码机设置的变化。

互联网时代的密码学

既然我们已经进入了数字时代，密码学的目标依然不变：防止通信双方之间交换的信息被他人窃取。 计算机科学家通常将这两方称为“爱丽丝和鲍勃”，这是一个虚构的实体，首次出现在 1978 年的一篇描述数字加密方法的文章中。 “爱丽丝和鲍勃”不断受到一个名叫“夏娃”的可恶窃听者的骚扰。

各种应用程序目前都在使用加密来保护我们的数据安全，包括通信、信用卡号码和交易密码，以及比特币等加密货币。 区块链是比特币背后的技术，通过分布式网络连接数十万台计算机，并使用密码学来保护每个用户的身份并维护他们交易的永久日志。

计算机网络的出现带来了一个新问题：如果“爱丽丝和鲍勃”位于地球的两端，他们如何共享一把钥匙而不被“夏娃”偷走？ 密码学家认为公钥密码术是一种解决方案。 该方案利用单向函数——一种易于执行但在没有关键信息的情况下难以逆转的数学运算。 “爱丽丝和鲍勃”在“夏娃”的监视下交换了密文和公钥，但各自保留了私钥。 通过将两个私钥应用于密文，这对密钥可以有一个共享的解决方案。 与此同时，“Yves”努力破译他们稀疏的线索。

一种广泛使用的公钥加密形式称为 RSA 加密比特币密码学原理，它利用素因数分解的复杂性质——找到两个相乘的素数以给出特定的解决方案。 将两个素数相乘根本不需要时间，但将这个过程逆转可能需要地球上最快的计算机数百年。 因此，“爱丽丝”选择了两个数字来建立她的加密密钥，而“伊夫”只能艰难地挖出这些数字来完成这个不可能完成的徒劳任务。

量子时代的飞跃

为了寻找牢不可破的密码，当今的密码学家正在研究量子物理学。 量子物理学在非常微观的尺度上描述了物质的奇怪行为。 就像薛定谔著名的猫一样，亚原子粒子同时以多种状态存在。 但是当盒子打开时，粒子会瞬间进入可观察状态。 在 20 世纪 70 年代和 80 年代，物理学家开始试验使用这种时髦的特性来加密秘密消息，这种方法现在被称为“量子密钥分发”。

正如密钥可以用字节编码一样，物理学家现在用粒子（通常是光子）的特性对密钥进行编码。 邪恶的窃听者必须测量粒子才能窃取密钥，但任何此类尝试都会改变光子的行为，向“爱丽丝和鲍勃”发出安全漏洞警报。 据专家称，这种内置的警报系统使量子密钥分发“可证明是安全的”。

量子密钥可以通过光纤远距离交换，但另一种分发方法在 1990 年代引起了物理学家的兴趣。 Artur Ekert 提出的这项技术基于一种称为“量子纠缠”的现象，该现象允许两个光子进行远距离通信。

“（纠缠的）量子物体具有这种神奇的特性，如果你将它们分开，即使相隔数百英里，它们也能感觉到彼此，”Arthur Eckert 解释道。 纠缠的粒子表现为一个整体，“爱丽丝和鲍勃”可以通过测量两端来共享秘密。 如果窃听者试图拦截密钥，则粒子会发生反应并且测量值会发生变化。

量子密码学现在不仅仅是一个抽象概念。 2004 年，研究人员通过纠缠光子将 3,000 欧元转入银行账户。 2017年，中国科研人员在“墨子号”卫星与地球之间分配了两个量子纠缠光子，在1200多公里的距离后仍能继续保持其量子纠缠态。 目前比特币密码学原理，许多其他公司正在开发用于商业应用的量子密码学，并取得了一些成功。

另一方面，科学家声称，如果现在可以使用量子计算机，那么当前的加密系统，包括那些支持加密货币的系统，将不再安全。 因此，为了确保未来的网络安全，科学家们将加快与时间赛跑的步伐。

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