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自古以来，人们就依赖于密码学来保护自己的秘密。密码学是一种书写和破解编码信息的艺术。在五世纪，加密的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，因为数据是通过互联网快速传递的。明天，这个领域将再次产生飞跃！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产生迄今为止最安全的密码。

保密的历史方法

“密码学”这个词来源于希腊语单词“kryptos”（隐藏的）和“graphein”（书写）。密码学并不是在物理上遮挡敌人的眼睛，使其看不到信息，而是允许通讯双方以一种其他人看不懂的语言在正常的情况下进行交流。

要加密消息，发送方必须使用某种系统方法（称为算法）来操作内容。最初的原始信息，称为纯文本，顺序将被打乱，因此它的字母排列成一个不可理解的顺序，或者每个字母都可能被另一个字母取代，而由此产生的胡言乱语被称之为密文。

秘密消息的发送方提出一种系统的方法来操纵消息的上下文，只有接收方才能破译。这种混乱的信息被称为密文。

根据密码专家的说法，在古希腊，斯巴达军队使用一种名为scytale的设备加密信息，该设备由一条薄薄的皮革缠绕在一根木棍上组成。解开后，皮革条上似乎有一串随机的字符，但如果绕着一根特定大小的木棍密钥和密匙的区别，这些字母就会排列成单词。这种字母变换技术被称为换位密码。

据称，在印度的“卡玛”经中还提到了另一种算法，即替代法，建议女性学习使用这种方法来隐藏她们风流韵事的消息传递。为了使用替代法，发送者将消息中的每个字母替换为另一个字母。例如，“a”可能变成“z”等等。要解密这样的消息，发送方和接收方就必须统一字母交换规则，就好像斯巴达士兵需要拥有同样大小的scytale木棍一样。

第一个密码分析师

将密文恢复为明文所需的具体知识（称为密钥）必须保密，以确保消息的安全性。如果破解一个没有钥匙的密码，则需要大量的知识和高超技能。

根据密码专家的说法，替代密码在公元1000年才被破解，直到阿拉伯数学家al-Kindi意识到它的弱点。他注意到某些字母比其他字母使用得更频繁，al-Kindi能够通过分析哪些字母在密文中出现得最频繁来进行反向替换。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，密码分析人员也在不断的挑战它们。在这场激烈而且不断延续战斗中，最著名的小冲突之一就是二战期间盟军试图破解德国密码机。Enigma（恩尼格玛密码机）使用一种替换算法对消息进行加密，其复杂的密钥每天都在变化。密码分析师艾伦·图灵(Alan Turing)开发了一种名为“炸弹”的设备，用来跟踪密码机的设置变化。

互联网时代的密码学

现在我们已经来到了数字时代，但密码学的目标仍然是一样的：防止通讯双方之间交换的信息被他人窃取。计算机科学家通常把双方称为“爱丽丝和鲍勃”，这是1978年一篇描述数字加密方法的文章首次引入的虚构实体。“爱丽丝和鲍勃”经常被一个叫“伊夫”的讨厌的窃听者骚扰。

目前，各种应用程序都在使用加密技术来保护我们的数据安全，包括通信信息、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，它通过分布式网络连接数十万台计算机，并使用加密技术保护每个用户的身份，并维护其交易的永久日志。

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，他们如何在不被“伊夫”窃取的情况下共享密钥呢？密码专家们认为，公钥密码术是一种解决方案。该方案利用了单向函数 —— 在没有关键信息的情况下，数学运算容易执行，但很难逆转。“爱丽丝和鲍勃”在“伊夫”警惕的注视下交换了密文和公钥，但各自都保留了私钥。通过将两个私钥都应用于密文，这对密钥就可以得到一个共享的解决方案。与此同时，“伊夫”还在努力破译他们那些稀稀拉拉的线索。

一种广泛使用的公钥加密形式，称为RSA加密，它利用了质因数分解的复杂性质 —— 找到两个相乘的质数，从而给出一个特定的解决方案。两个质数相乘根本不需要时间，但即使是地球上速度最快的计算机密钥和密匙的区别，想要逆转这一过程也可能需要数百年的时间。因此，“爱丽丝”选择了两个数字来建立她的加密密钥，“伊夫”只能去艰难地挖掘出这些数字，完成这个不可能完成的徒劳的任务。

量子时代的跃进

为了寻找一种牢不可破的密码，今天的密码学家正在研究量子物理学。量子物理学在非常微观尺度上描述了物质的奇怪行为。就像薛定谔著名的猫一样，亚原子粒子同时存在于许多状态中。但当盒子被打开时，这些粒子就会瞬间进入一种可观察的状态。在20世纪70年代和80年代，物理学家开始尝试使用这种时髦的特性来加密秘密信息，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，物理学家现在也用粒子（通常是光子）的特性来编码密钥。一个邪恶的窃听者必须通过测量粒子来窃取密钥，但是任何这样的尝试都会改变光子的行为，从而提醒“爱丽丝和鲍勃”注意安全漏洞。据专家们称，这个内置的报警系统使得量子密钥分发“可以证明是安全的”。

量子密钥可以通过光纤进行远距离的交换，但在20世纪90年代，另一种分布方式引起了物理学家的兴趣。该技术由阿图尔·艾克特(Artur Ekert)提出，基于一种称为“量子纠缠”的现象，该技术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，如果你把它们分开，即使相隔数百英里，它们也能感觉到彼此。”阿图尔·艾克特解释道。纠缠粒子表现为一个单元，“爱丽丝和鲍勃”可以通过在两端测量来制作一个共享密钥。如果窃听者试图拦截密钥，粒子就会发生反应，测量值也会发生变化。

目前，量子密码学已经不仅仅是一个抽象的概念了。2004年，研究人员通过纠缠光子将3000欧元转入银行账户。2017年，中国研究人员在“墨子号”卫星和地球之间，分发了两个量子纠缠光子，在相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。当前，还有许多公司都在为商业应用开发量子密码技术，并取得了一些成功。

另一方面，科学家们称，如果现在有了量子计算机，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，为了保证网络安全的未来，科学家们将加快与时间赛跑的步伐。

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