Từ thời xa xưa, con người đã dựa vào mật mã, nghệ thuật viết và giải các tin nhắn được mã hóa, để giữ bí mật của họ. Vào thế kỷ thứ năm, các tin nhắn được mã hóa được khắc trên da hoặc giấy và được gửi bởi một sứ giả của con người. Ngày nay, mật mã giúp bảo vệ dữ liệu kỹ thuật số của chúng tôi khi nó lướt qua internet. Ngày mai, lĩnh vực này có thể tạo ra một bước nhảy vọt khác; với các máy tính lượng tử trên đường chân trời, các nhà mật mã học đang khai thác sức mạnh của vật lý để tạo ra các mật mã an toàn nhất cho đến nay.
Phương pháp lịch sử của việc giữ bí mật
Từ "mật mã" có nguồn gốc từ các từ Hy Lạp "kryptos", có nghĩa là ẩn và "graphein" để viết. Thay vì che giấu một cách vật lý một thông điệp khỏi mắt kẻ thù, mật mã cho phép hai bên giao tiếp trong tầm nhìn rõ ràng nhưng bằng ngôn ngữ mà kẻ thù của họ không thể đọc được.
Để mã hóa tin nhắn, người gửi phải thao tác nội dung bằng một số phương pháp có hệ thống, được gọi là thuật toán. Thông điệp ban đầu, được gọi là bản rõ, có thể được xáo trộn để các chữ cái của nó xếp thành một thứ tự khó hiểu hoặc mỗi chữ cái có thể được thay thế bằng một chữ cái khác. Tiếng vượn kết quả được biết đến như một bản mã, theo Crash Course Computer Science.
Vào thời Grecian, quân đội Spartan đã mã hóa tin nhắn bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là scytale, bao gồm một dải da mỏng quanh một nhân viên gỗ, theo Trung tâm Lịch sử Mật mã học. Không bị ràng buộc, dải này dường như có một chuỗi các ký tự ngẫu nhiên, nhưng nếu vết thương xung quanh một nhân viên có kích thước nhất định, các chữ cái được sắp xếp thành các từ. Kỹ thuật xáo trộn chữ cái này được gọi là mật mã chuyển vị.
Kinh điển Kama đề cập đến một thuật toán thay thế, được gọi là sự thay thế, khuyến nghị phụ nữ nên học phương pháp để giữ hồ sơ về các liên lạc của họ được che giấu, The Atlantic đưa tin. Để sử dụng thay thế, người gửi hoán đổi từng chữ cái trong một tin nhắn cho người khác; ví dụ: "A" có thể trở thành "Z", v.v. Để giải mã một tin nhắn như vậy, người gửi và người nhận cần phải đồng ý về những chữ cái nào sẽ được hoán đổi, giống như những người lính Spartan cần thiết để sở hữu kích thước tương tự.
Các loại tiền điện tử đầu tiên
Kiến thức cụ thể cần thiết để hoàn nguyên bản mã thành bản rõ, được gọi là khóa, phải được giữ bí mật để đảm bảo an toàn cho tin nhắn. Để bẻ khóa một mật mã mà không có chìa khóa của nó cần có kiến thức và kỹ năng tuyệt vời.
Mật mã thay thế đã không bị phá hủy trong thiên niên kỷ thứ nhất A.D. - cho đến khi nhà toán học Ả Rập al-Kindi nhận ra điểm yếu của nó, theo Simon Singh, tác giả của "Cuốn sách mã" (Ngôi nhà ngẫu nhiên, 2011). Lưu ý rằng một số chữ cái được sử dụng thường xuyên hơn các chữ cái khác, al-Kindi có thể đảo ngược các thay thế bằng cách phân tích những chữ cái nào được cắt thường xuyên nhất trong một bản mã. Các học giả Ả Rập đã trở thành nhà phân tích mật mã hàng đầu thế giới, buộc các nhà mật mã phải điều chỉnh phương pháp của họ.
Khi các phương pháp mã hóa tiến bộ, các nhà phân tích mật mã đã bước lên để thách thức chúng. Trong số những cuộc giao tranh nổi tiếng nhất trong trận chiến đang diễn ra này là nỗ lực của quân Đồng minh nhằm phá vỡ cỗ máy Enigma của Đức trong Thế chiến II. Máy Enigma đã mã hóa tin nhắn bằng thuật toán thay thế có khóa phức tạp thay đổi hàng ngày; đến lượt mình, nhà mật mã Alan Turing đã phát triển một thiết bị gọi là "bombe" để theo dõi các thiết lập thay đổi của Enigma, theo Cơ quan Tình báo Trung ương Hoa Kỳ.
Mật mã trong thời đại internet
Trong kỷ nguyên số, mục tiêu của mật mã vẫn giống nhau: ngăn chặn thông tin trao đổi giữa hai bên bị đánh bại bởi một kẻ thù. Các nhà khoa học máy tính thường gọi hai bên là "Alice và Bob", các thực thể hư cấu được giới thiệu lần đầu tiên trong một bài viết năm 1978 mô tả một phương pháp mã hóa kỹ thuật số. Alice và Bob liên tục bị làm phiền bởi một kẻ nghe trộm phiền phức tên là "Eve".
Tất cả các loại ứng dụng sử dụng mã hóa để giữ an toàn cho dữ liệu của chúng tôi, bao gồm số thẻ tín dụng, hồ sơ y tế và tiền điện tử như Bitcoin. Blockchain, công nghệ đằng sau Bitcoin, kết nối hàng trăm ngàn máy tính thông qua mạng phân tán và sử dụng mật mã để bảo vệ danh tính của mỗi người dùng và duy trì nhật ký giao dịch vĩnh viễn của họ.
Sự ra đời của các mạng máy tính đã giới thiệu một vấn đề mới: nếu Alice và Bob nằm ở hai phía đối diện của địa cầu, làm thế nào để họ chia sẻ một khóa bí mật mà không cần Eve đánh cắp nó? Mật mã khóa công khai nổi lên như một giải pháp, theo Khan Academy. Lược đồ tận dụng các hàm một chiều - toán học dễ thực hiện nhưng khó đảo ngược nếu không có các thông tin chính. Alice và Bob trao đổi mật mã của họ và một khóa công khai dưới cái nhìn cảnh giác của Eve, nhưng mỗi người giữ một khóa riêng cho chính họ. Bằng cách áp dụng cả khóa riêng cho bản mã, cặp đôi đạt được giải pháp chia sẻ. Trong khi đó, Eve đấu tranh để giải mã manh mối thưa thớt của họ.
Một hình thức mã hóa khóa công khai được sử dụng rộng rãi, được gọi là mã hóa RSA, khai thác bản chất khó của yếu tố nguyên tố - tìm hai số nguyên tố nhân với nhau để cung cấp cho bạn một giải pháp cụ thể. Nhân hai số nguyên tố hoàn toàn không mất thời gian, nhưng ngay cả những máy tính nhanh nhất trên Trái đất cũng có thể mất hàng trăm năm để đảo ngược quá trình. Alice chọn hai số để xây dựng khóa mã hóa của mình, để lại cho Eve nhiệm vụ vô ích là đào những chữ số đó một cách khó khăn.
Bước nhảy vọt lượng tử
Để tìm kiếm một mật mã không thể phá vỡ, các nhà mật mã học ngày nay đang tìm đến vật lý lượng tử. Vật lý lượng tử mô tả hành vi kỳ lạ của vật chất ở quy mô cực kỳ nhỏ. Giống như con mèo nổi tiếng của Schrödinger, các hạt hạ nguyên tử tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Nhưng khi hộp được mở, các hạt sẽ rơi vào một trạng thái có thể quan sát được. Trong những năm 1970 và 1980, các nhà vật lý bắt đầu sử dụng tài sản thú vị này để mã hóa các tin nhắn bí mật, một phương pháp hiện được gọi là "phân phối khóa lượng tử".
Giống như các khóa có thể được mã hóa theo byte, các nhà vật lý hiện mã hóa các khóa trong các thuộc tính của các hạt, thường là các photon. Kẻ nghe trộm bất chính phải đo các hạt để đánh cắp chìa khóa, nhưng mọi nỗ lực làm như vậy đều làm thay đổi hành vi của các photon, cảnh báo Alice và Bob vi phạm an ninh. Hệ thống báo động tích hợp này làm cho phân phối khóa lượng tử "an toàn có thể chứng minh được", Wired báo cáo.
Các khóa lượng tử có thể được trao đổi qua khoảng cách xa thông qua các sợi quang, nhưng một tuyến phân phối xen kẽ đã thu hút sự quan tâm của các nhà vật lý trong những năm 1990. Được đề xuất bởi Artur Ekert, kỹ thuật này cho phép hai photon giao tiếp trên một khoảng cách rộng lớn nhờ một hiện tượng gọi là "sự vướng víu lượng tử".
"Các đối tượng lượng tử có tính chất tuyệt vời này mà nếu bạn tách chúng, thậm chí hàng trăm dặm, họ có thể loại cảm lẫn nhau," Ekert, bây giờ là một giáo sư Oxford và là giám đốc Trung tâm Công nghệ Quantum tại Đại học Quốc gia Singapore cho biết. Các hạt vướng víu hoạt động như một đơn vị, cho phép Alice và Bob tạo ra một khóa chung bằng cách lấy số đo ở mỗi đầu. Nếu một kẻ nghe trộm cố gắng chặn khóa, các hạt sẽ phản ứng và các phép đo thay đổi.
Mật mã học lượng tử không chỉ là một khái niệm trừu tượng; vào năm 2004, các nhà nghiên cứu đã chuyển 3.000 euro vào tài khoản ngân hàng bằng các photon vướng víu, Phổ biến báo cáo. Trong năm 2017, các nhà nghiên cứu đã bắn hai photon vướng về Trái đất từ vệ tinh Micius, duy trì kết nối của họ qua kỷ lục 747 dặm (1.203 km), theo New Scientist. Nhiều công ty hiện đang bị khóa trong một cuộc đua phát triển mật mã lượng tử cho các ứng dụng thương mại, với một số thành công cho đến nay.
Để đảm bảo tương lai của an ninh mạng, họ cũng có thể đang trong một cuộc đua với đồng hồ.
"Nếu có một máy tính lượng tử, các hệ thống mật mã hiện có, bao gồm cả những hệ thống làm nền tảng cho tiền điện tử, sẽ không còn an toàn nữa", Ekert nói với Live Science. "Chúng tôi không biết chính xác khi nào chúng sẽ được xây dựng - chúng tôi nên bắt đầu làm gì đó ngay bây giờ."
