自古以來，人們一直依賴密碼來傳遞有用的信息，這是一種關于加密和解密編碼信息的藝術。古代，加密的信息被寫在皮革或紙上，由人類信使傳遞；今天，信息在互聯網上傳播，密碼則保護電子數據不被破譯；未來，密碼學可能會再次飛躍，隨著量子計算機的出現，密碼學家正在利用物理學的力量制造迄今為止最安全的密碼。
歷史中的原始加密法“cryptography”（密碼學）一詞源自希臘語“kryptos”，意思是隱藏，以及意為寫作的“graphein”，合起來就是隱藏寫作的意思。密碼學不是在視覺上隱藏信息以躲避他人的觀察，而是通過他人無法閱讀的語言進行通信。
要加密消息，發件人必須使用被稱為算法（algorithm）的系統性***來改變內容，對原始消息（明文，plaintext）進行加密，使其字母或文字以無法理解的順序排列，或者每個字母被另一個字母替換，由此產生的亂碼被稱為密文（ciphertext）。
根據密碼學歷史中心（CenterforCryptologicHistory）的說法，在古希臘，斯巴達軍方使用一種叫做密碼棒（scytale）的裝置來加密信息，這種裝置由一條皮帶和一根木棍組成。在展開時，皮帶似乎只是一串隨機字符，但如果纏繞在一定大小的木棒上，字母會對齊成單詞。這種技術被稱為轉置密碼，也稱換位密碼（transpositioncipher）。
密碼棒（scytale）
還有一種簡單的加密***，稱為替換式密碼（substitutioncipher），具體操作起來就是：發送消息者將明文中的每個字母換成另一個字母，例如將所有“A”寫成“Z”，依此類推，最終替換完的文本就成了密文。為了解密這樣的消息，發送者和接收者需要就信息中的哪些字母被替換達成一致，就像斯巴達士兵需要擁有相同大小的密碼棒一樣。
第一個密碼分析師將密文恢復為明文所需的具體***和規律，稱為密鑰。密鑰不被破解，才能保證消息的安全性。如果想在沒有密鑰的情況下破解密碼，需要大量的知識和技能，以及不可思議的計算量。
根據西蒙·辛格（SimonSingh）《密碼故事:人類智力的另類較量》（TheCodeBook）中的說法，一直到公元8世紀，***數學家肯迪（al-Kindi）意識到替換式密碼的弱點，這種使用了上千年的密碼才被破譯。
肯迪
肯迪注意到在所有拼寫語言中，某些字母的使用頻率遠高于其他字母，如英語中高頻字母“e”“t”“n”等，在此基礎上通過分析在密文中最常出現的字母來反轉替換，最終破譯密碼?？系贤ㄟ^統計推理的***，讓***數學家成為了世界上最早的密碼分析師，迫使密碼學家改進加密算法。
隨著密碼學的不斷進步，密碼分析師們也開始了艱苦卓絕的升級。在密碼的“加密與破譯”這場永不停歇的戰斗中，最著名的激烈沖突發生在二戰期間——盟軍密碼分析師與德國恩尼格碼密碼機（Enigma）之間的恩怨。恩尼格碼機使用替換算法加密消息，其復雜密鑰每天都會更改。根據美國中央情報局的說法，英國數學家、密碼分析師艾倫·圖靈（AlanTuring）開發了一種名為“炸彈”的裝置來跟蹤恩尼格碼機的變化規律，在波蘭破譯小組的幫助下，最終破譯了恩尼格碼機。
互聯網時代的密碼學進入數碼時代，密碼學的目標沒有變：防止溝通雙方交換的信息被第三個人知道。計算機科學家經常將溝通雙方稱為“愛麗絲和鮑勃”，他們會被一個名叫“夏娃”的討厭偷聽者打擾。這種擬人化叫法最初是在1978年的一篇講述數字加密***的文章出現，隨后就成了計算機領域的流行詞。
互聯網的出現引入了一個新的加密問題：如果愛麗絲和鮑勃位于地球的兩側，那么他們如何在公開的互聯網中分享密鑰，而夏娃不會得到密匙呢？根據可汗學院（KhanAcademy，非營利性教育組織）的說法，公鑰加密（Publickeycryptography）成為最流行的解決方案，即愛麗絲和鮑勃在夏娃的監視下交換他們的密文和公鑰，但雙方都為自己保留一把私鑰。通過將兩個私鑰應用于密文，共享加密信息。
在《RSA密碼系統：歷史、算法、素數》（TheRSACryptosystem：History、Algorithm、Primes）一書中，邁克爾·卡爾德班克（MichaelCalderbank）介紹了目前廣泛使用的公鑰加密技術，稱為RSA加密。這種加密法利用了素數的數學性質：將兩個素數（大于1的自然數中，只能被1和自己整除的數）相乘毫不費力，但給定一個數字，反推出它是由哪兩個素數相乘的結果，就不那么容易了。如果這個數字夠大，那么即使是地球上最快的計算機，也可能需要數百年才能完成計算過程。
當然，RSA加密也并非萬無一失，很多聰明人想到了破解***，比如通過記錄擁有密鑰計算機打開加密信息的速度，能夠反推出這個素數密鑰的范圍。為了尋找更加先進的加密技術，量子物理學登場了。
邁出一大步的密碼學為了尋找一種牢不可破的密碼，今天的密碼學家們正在研究量子物理學。量子物理學以極小的尺度描述了物質的“奇怪”行為，著名的例子就是薛定諤和他的貓。早在20世紀80年代，物理學家就開始嘗試這種時髦的方式來加密消息，這種***現在被稱為“量子密鑰分配”。
傳統密鑰是以字節為單位編碼，量子加密則可以對粒子屬性編碼，這種粒子通常是光子。偷窺者夏娃必須通過測量光子來竊取密鑰，但根據量子力學，任何偷窺粒子的觀察行為，都會改變它的狀態。當夏娃行動時，愛麗絲和鮑勃就會發現交流存在安全漏洞。
阿圖爾·?？颂兀ˋrturEkert）
20世紀90年代，牛津大學的阿圖爾·?？颂兀ˋrturEkert）提出了一種新的量子加密技術，這種技術基于“量子糾纏”現象，允許兩個光子在很遠的距離上進行實時通信。
“量子擁有這種神奇的屬性，如果你將它們分開，甚至超過數百千米，它們還會彼此感受到，”?？颂卣f，“這種特性允許愛麗絲和鮑勃***共享密鑰，并交流信息。如果竊聽者試圖攔截密鑰，則粒子就會有反應，并且測量值會發生變化。溝通雙方發現竊聽者，立刻放棄交流，換另一種***。又因為量子通信是實時的，當發現竊聽者后，放棄信息傳輸，并不會泄露任何內容?！?/p>
量子密碼學不僅僅是一個抽象的概念，如今已經有了實踐案例。據有關媒體報道，2004年時，研究人員通過糾纏光子將3000歐元轉入了銀行賬戶。據《新科學家》（NewScientist）雜志報道，2017年，研究人員用衛星向地球發射了兩個糾纏光子，使它們在1203千米的距離上實現了連接。
“如果你擁有一臺實力強勁的量子計算機，那么現有的加密系統，都不再是安全的了?！卑D爾·?？颂卣f，“我們不知道工程師何時造出這種計算機，但對于密碼學家來說，我們現在最好開始做點什么了。”
廁讀觀點：其實，自從文字被發明后，關于信息加密的需求就出現了，不管是經濟、軍事、政治上的大事，還是情侶之間的柔情蜜語，人們都不希望被無關的人打聽到有用的信息，所以為了實現信息的安全傳遞，人們不斷更新加密技術，從密碼棒、換位密碼，到恩尼格碼機，再到量子加密技術。因為信息越來越重要，加密法就得越來越高級，雖然為了保住秘密，人們被折磨得疲憊不堪，焦頭爛額，但我們還在密碼游戲中玩得樂此不疲，這也許就是密碼學的魅力所在。
參考資料：
《CrashCourseComputerScience》
《密碼故事:人類智力的另類較量》（TheCodeBook）SimonSingh
《RSA密碼系統：歷史、算法、素數》（TheRSACryptosystem：History、Algorithm、Primes）MichaelCalderbank
《新科學家》（NewScientist）
