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【科學講堂】量子密鑰技術 防止訊息被竊

2018-05-02

通訊雙方能迅速察覺資料是否外洩

大家看過班奈狄克.康柏拜區(Benedict Cumberbatch)主演的電影《解碼遊戲》(Imitation Game)嗎?電影中由他飾演的圖靈(Alan Turing)和他的夥伴同心協力,運用他們的智慧,破解二戰時期德軍使用的複雜密碼,最終成功解讀其機密軍事訊息,協助盟軍取得勝利。現今我們當然不在戰爭中,但不代表密碼跟我們風馬牛不相及:每次我們收發電子郵件,同樣經過加密及解密程序,即使他人竊取了我們的郵件,也無法理解箇中意思。從用家角度,當然希望編寫密碼的方法愈來愈難破解,我們的電子郵件才不會被人竊讀。在這方面,科技能幫助我們嗎?

謎樣訊息 外人難解讀

須知道每次編寫秘密訊息,均需要一個保密編碼方法。現時已有足夠複雜,難以破解的編碼方式。例如選擇一本書籍,然後查閱想傳達的字或字母,出現在書中哪個位置,再用數字去代表這個位置。(例如一本書的第十二頁第三行第六個字是「密」,那麼我就用1236去代表「密」字。)這樣的話,我要傳遞的訊息便變成一連串看起來毫無意義的數字,外人難以解讀。

當然真正的收件人需要懂得如何閱讀這個謎樣的訊息,因此我需要告訴對方我挑選了哪一本書。

問題來了:在我跟夥伴溝通的時候,怎能確定沒有人在偷聽呢?若偷聽者知道解密的方法,怎樣複雜的編碼方法也是浪費時間。

傳統編碼方法 未能察覺竊聽

如何解決這個問題?首先要注意的是,為安全起見,在以上提到的編碼方式下,我是不應該用同一本書去為超過一個秘密訊息編碼的,因為有心解讀的人,可能會從幾個訊息中看出關連,看到有些數字組合經常出現,因而推斷出這些可能是一些常用字(例如中文的「的」、「得」、「地」)。不重用同一本書去編碼,就免卻了這個問題了。

這樣的考慮,提醒了我們,用來編碼的書籍,本來就是應該頻繁更換的,而且跟原來要發送的秘密訊息,是兩個分開的部分。因此我們可以先將編碼用的書名告訴同伴,再注意是否被人偷聽了:如果沒有,我們當然繼續把原來的秘密訊息發送出去;如果真的有偷聽者,我們便馬上停止,稍等片刻才重試。這樣的話,我們也只是「洩露」了一些書名,並不影響原來的秘密訊息。

竊聽改變量子系統

要如何精準地發現偷聽者的存在?奇詭的量子力學為此提供了一個可能性。在量子效果不重要的情況下(比如說傳統的電流、大氣電波傳送,甚至是手寫密函),偷聽者只要夠小心,便可神不知鬼不覺地偷聽或偷看,且不茞疙鞢C不過,在量子力學的世界中,偷聽或偷看的行為,卻會無可避免地對這個世界造成不能忽略的影響,等於告訴大家「我偷聽/看過了!」大家可將一個量子系統想像成一個藏在盒子中、用撲克牌砌成的塔:任何想打開盒子、一窺究竟的人,將導致這個塔以某種形式崩塌,讓真正收件人在打開盒子時,發現塔子曾崩塌多過一次,自然知道有偷看者來過了。■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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