Wat is cryptografie?

Sinds de oudheid vertrouwen mensen op cryptografie, de kunst van het schrijven en oplossen van gecodeerde berichten, om hun geheimen veilig te houden. In de vijfde eeuw werden gecodeerde berichten gegraveerd op leer of papier en afgeleverd door een menselijke boodschapper. Tegenwoordig helpen cijfers om onze digitale gegevens te beschermen terwijl ze door het internet bladeren. Morgen maakt het veld misschien nog een sprong; met kwantumcomputers aan de horizon, maken cryptografen gebruik van de kracht van de fysica om de veiligste cijfers tot nu toe te produceren.

Historische methoden van geheimhouding

Het woord "cryptografie" is afgeleid van de Griekse woorden "kryptos", wat verborgen betekent, en "graphein", om te schrijven. In plaats van een bericht fysiek te verbergen voor de ogen van de vijand, stelt cryptografie twee partijen in staat om in het volle zicht te communiceren, maar in een taal die hun tegenstander niet kan lezen.

Om een ​​bericht te versleutelen, moet de afzender de inhoud manipuleren met een systematische methode, ook wel een algoritme genoemd. Het oorspronkelijke bericht, platte tekst genoemd, kan worden gecodeerd zodat de letters in een onbegrijpelijke volgorde worden gerangschikt, of elke letter kan door een andere worden vervangen. Het resulterende gebrabbel staat bekend als een cijfertekst, volgens Crash Course Computer Science.

In de Griekse tijd versleutelde het Spartaanse leger berichten met behulp van een apparaat genaamd een scytale, dat bestond uit een dunne strook leer gewikkeld rond een houten staf, volgens het Center for Cryptologic History. Ongewonden leek de strook een reeks willekeurige tekens te dragen, maar als ze rond een staf van een bepaalde grootte werden gewikkeld, werden de letters in woorden uitgelijnd. Deze techniek voor het door elkaar schudden van letters staat bekend als een transpositiecijfer.

De Kama Sutra noemt een alternatief algoritme, bekend als substitutie, dat vrouwen aanbeveelt de methode te leren om gegevens van hun contacten verborgen te houden, meldde The Atlantic. Om vervanging te gebruiken, ruilt de afzender elke letter in een bericht voor een andere; een "A" kan bijvoorbeeld een "Z" worden, enzovoort. Om een ​​dergelijk bericht te ontsleutelen, moeten de afzender en de ontvanger het eens zijn over welke letters worden uitgewisseld, net zoals Spartaanse soldaten dezelfde grootte scytale nodig hadden..

De eerste cryptanalytici

De specifieke kennis die nodig is om een ​​cijfertekst om te zetten in leesbare tekst, ook wel de sleutel genoemd, moet geheim worden gehouden om de veiligheid van een bericht te garanderen. Om een ​​cijfer te kraken zonder zijn sleutel, is veel kennis en vaardigheid vereist.

Het vervangingscijfer bleef in het eerste millennium na Christus ongekraakt - totdat de Arabische wiskundige al-Kindi zich zijn zwakheid realiseerde, volgens Simon Singh, auteur van "The Code Book" (Random House, 2011). Al-Kindi merkte op dat bepaalde letters vaker worden gebruikt dan andere en was in staat om vervangingen ongedaan te maken door te analyseren welke letters het vaakst in een cijfertekst voorkwamen. Arabische geleerden werden 's werelds meest vooraanstaande cryptanalytici en dwongen cryptografen om hun methoden aan te passen.

Naarmate de cryptografiemethoden vorderden, kwamen crypto-analisten in actie om hen uit te dagen. Een van de beroemdste schermutselingen in deze voortdurende strijd was de poging van de geallieerden om de Duitse Enigma-machine tijdens de Tweede Wereldoorlog te breken. De Enigma-machine versleutelde berichten met behulp van een vervangingsalgoritme waarvan de complexe sleutel dagelijks veranderde; op zijn beurt ontwikkelde cryptanalyticus Alan Turing een apparaat genaamd 'de bombe' om de veranderende instellingen van de Enigma te volgen, volgens de Amerikaanse Central Intelligence Agency.

Cryptografie in het tijdperk van internet

In het digitale tijdperk blijft het doel van cryptografie hetzelfde: voorkomen dat informatie die tussen twee partijen wordt uitgewisseld door een tegenstander wordt meegenomen. Computerwetenschappers noemen de twee partijen vaak "Alice en Bob", fictieve entiteiten die voor het eerst werden geïntroduceerd in een artikel uit 1978 waarin een digitale versleutelingsmethode wordt beschreven. Alice en Bob hebben constant last van een vervelende afluisteraar genaamd 'Eve'.

Allerlei toepassingen maken gebruik van codering om onze gegevens veilig te houden, inclusief creditcardnummers, medische dossiers en cryptocurrencies zoals Bitcoin. Blockchain, de technologie achter Bitcoin, verbindt honderdduizenden computers via een gedistribueerd netwerk en gebruikt cryptografie om de identiteit van elke gebruiker te beschermen en een permanent logboek van hun transacties bij te houden.

De komst van computernetwerken introduceerde een nieuw probleem: als Alice en Bob zich aan weerszijden van de wereld bevinden, hoe delen ze dan een geheime sleutel zonder dat Eve eraan vasthaakt? Volgens Khan Academy kwam cryptografie met openbare sleutels naar voren als een oplossing. Het schema maakt gebruik van eenrichtingsfuncties: wiskunde die gemakkelijk uit te voeren is, maar moeilijk om te keren zonder belangrijke stukjes informatie. Alice en Bob wisselen hun cijfertekst en een openbare sleutel uit onder Eva's waakzame blik, maar houden elk een privésleutel voor zichzelf. Door beide privésleutels op de cijfertekst toe te passen, komt het paar tot een gedeelde oplossing. Ondertussen worstelt Eve om hun schaarse aanwijzingen te ontcijferen.

Een veelgebruikte vorm van cryptografie met openbare sleutels, RSA-codering genaamd, maakt gebruik van de lastige aard van priemfactorisatie: het vinden van twee priemgetallen die zich vermenigvuldigen om u een specifieke oplossing te geven. Het vermenigvuldigen van twee priemgetallen kost geen tijd, maar zelfs de snelste computers op aarde kunnen honderden jaren nodig hebben om het proces om te keren. Alice kiest twee cijfers om haar coderingssleutel op te bouwen, waardoor Eve de nutteloze taak heeft om die cijfers op de moeilijke manier op te graven.

Een enorme sprong voorwaarts maken

Op zoek naar een onbreekbaar cijfer, kijken de huidige cryptografen naar de kwantumfysica. Kwantumfysica beschrijft het vreemde gedrag van materie op ongelooflijk kleine schaal. Net als de beroemde kat van Schrödinger bestaan ​​subatomaire deeltjes tegelijkertijd in veel staten. Maar wanneer de doos wordt geopend, vallen de deeltjes in een waarneembare toestand. In de jaren zeventig en tachtig begonnen natuurkundigen deze funky eigenschap te gebruiken om geheime berichten te versleutelen, een methode die nu bekend staat als 'kwantumsleutelverdeling'.

Net zoals sleutels kunnen worden gecodeerd in bytes, coderen natuurkundigen nu sleutels in de eigenschappen van deeltjes, meestal fotonen. Een snode afluisteraar moet de deeltjes meten om de sleutel te stelen, maar elke poging om dit te doen verandert het gedrag van de fotonen en waarschuwt Alice en Bob voor de inbreuk op de beveiliging. Dit ingebouwde alarmsysteem maakt de distributie van kwantumsleutels "aantoonbaar veilig", meldt Wired.

Kwantumsleutels kunnen via optische vezels over lange afstanden worden uitgewisseld, maar een alternatieve distributieroute wekte in de jaren negentig de interesse van natuurkundigen. De techniek, voorgesteld door Artur Ekert, laat twee fotonen toe om over grote afstanden te communiceren dankzij een fenomeen dat "kwantumverstrengeling" wordt genoemd.

"[Verstrengelde] kwantumobjecten hebben deze verbazingwekkende eigenschap dat als je ze van elkaar scheidt, zelfs over honderden kilometers, ze elkaar kunnen voelen", zegt Ekert, nu een professor in Oxford en directeur van het Center for Quantum Technologies aan de National University. van Singapore. Verstrengelde deeltjes gedragen zich als één eenheid, waardoor Alice en Bob een gedeelde sleutel kunnen maken door metingen aan elk uiteinde te nemen. Als een afluisteraar de sleutel probeert te onderscheppen, reageren de deeltjes en veranderen de metingen.

Kwantumcryptografie is meer dan een abstract begrip; In 2004 maakten onderzoekers 3.000 euro over op een bankrekening door middel van verstrengelde fotonen, meldde Popular Science. In 2017 schoten onderzoekers twee verstrengelde fotonen naar de aarde vanaf de satelliet Micius, waarbij ze volgens New Scientist hun verbinding over een recordhoogte van 747 mijl (1.203 kilometer) in stand hielden. Veel bedrijven zijn nu verwikkeld in een race om kwantumcryptografie voor commerciële toepassingen te ontwikkelen, met enig succes tot dusver.

Om de toekomst van cybersecurity te garanderen, zijn ze mogelijk ook in een race tegen de klok.

"Als er een kwantumcomputer is, zullen bestaande cryptografiesystemen, inclusief de systemen die cryptocurrencies ondersteunen, niet langer veilig zijn", zei Ekert. 'We weten niet precies wanneer ze precies zullen worden gebouwd - we kunnen maar beter nu iets gaan doen.'

Aanvullende bronnen:

• Speel met een gesimuleerde enigma-machine.
• Meer informatie over cyberbeveiliging met een spoedcursus.
• Ontdek in deze TED-talk hoe gek de "monsterpriemgetallen" zijn.