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在信息时代,信息的保密性面临重大挑战。十多年来,物理学定律一直在帮助我们维护敏感信息的保密性,银行和各种组织都在使用量子密码学进行安全的通信。

然而,随着数据量的不断增加,数据传输时的安全性越来越难得到绝对的保证。例如当我们在银行取钱时,目前所使用的个人识别码(PIN)其实并不安全,这类信息很容易被黑客窃取,从而威胁到银行账户中的资金安全。

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现在,一项发表在近期的《自然》杂志上的研究表明,一个国际计算机科学家团队基于狭义相对论,发展出了一种新的用于信息保密的安全机制,它使人们可以在不提供个人识别码或其他可能被黑客窃取的信息的情况下,证明自己的身份。

新研究所发展的方法是对“零知识证明”概念的进一步改进。

零知识证明这一概念涉及到信息的“证明者”(prover)和信息的“验证者”(verifier)。在通常情况下,证明者需要向验证者证实自己的身份,例如当他们想从取款机取钱时,就必须将身份信息或银行密码等个人信息提交给验证者。但在零知识证明系统中,证明者可以向验证者证明他拥有某个信息,但又无需向验证者暴露与这个信息有关的秘密。

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在20世纪80年代中期,零知识证明的概念开始被应用于各种数据加密领域。近年来,这种概念已被付诸实践,尤其是在加密货币上的应用。这种加密方法依赖于数学表述,它们会通过使用所谓的单向函数来实现,比如将一个巨大的数分解成两个巨大的素数,这些素数计算起来很简单,但求解起来却非常困难。

虽然这种方法目前仍然奏效,但它存在一个缺点,那就是由于它们基于的是一些数学假设,因此如果有朝一日这些假设被推翻,安全性就会受到损害。随着量子计算机技术的发展,人们开始担心构成了当今加密系统基础的单向函数,或许会遭到新一代量子计算机的攻破。

新研究所展示的是一个完全不同的系统。这是一种相对论式的零知识证明系统,它的安全是基于狭义相对论中所描述的——任何信息的传播速度都不能超过光速的基本原理。在这一宗旨之上,研究人员提出了能够长期保证完美安全性的协议。

研究团队通过用由现成的电子产品制成的设备,创建了一个包含两对相隔一定距离的证明者-验证者系统;另外,他们选择了一个极具挑战三色图问题,作为证明者与验证者需要解决的数学问题。

三色图中的每个节点可以拥有三种颜色中的一种,每两个相邻的节点的颜色必须不一样。|参考来源:University of Geneva

三色图问题由节点和连接节点的连线构成的图形问题,每个节点可以有红、蓝、绿三种颜色,每两个相邻的连在一起的点,其颜色必须不同。在这项研究中,他们描述了有着5000个节点、10000个连接的三色图。

验证者会随机选择图形中大量相邻的节点,然后同时询问各自的证明者各自节点的颜色为何。如果两个证明者给出的两种颜色总是不同的,那么验证者就能确认证明者的身份。

这有点类似于警察的审讯技术,在同一时间、不同房间对几个嫌疑人进行审问,以此来消除嫌疑人互相交流勾结的可能性。由于这种验证几乎是同时进行的,两个相隔一定距离的证明者在测试期间是无法相互通信的,除非他们能够违反狭义相对论——用比光速还快的速度互相传递信息,否则他们无法作弊。

在实验过程中,这样的验证过程要进行300多万次,需要在总时长不到三秒的时间内完成。研究人员进行了两项测试,在其中一项测试中,他们用GPS信号让两对相隔390米的证明者-验证者对保持同步;而另一项测试则通过光纤链路,将距离减少到了60米。

研究人员认为,60米对于许多实际应用来说仍然是太远的距离。但他们认为,使用改进过的通信技术和芯片技术,在不久的将来,这一距离可以减少到1米左右。目前,这种系统已经可以在一家银行的两个分支机构之间使用,而且不需要复杂或昂贵的技术。

狭义相对论是现代物理学的一个支柱理论。现在,这一理论保证了数据的安全传输,它使得人们可以在不泄露任何个人信息情况下确认自己的身份。这一突破可以极大地提高金融交易和其他需要在线身份证明的应用程序的安全性,在加密货币和区块链领域都将有广阔的应用前景。

研究人员认为,接下来,他们要做的将是提高设备的速度,同时防范强大的量子计算机。总的来说,这项研究是向相对论密码学的实际现实应用迈出的重要一步。

#创作团队:

文:小雨

#参考来源:

https://www.unige.ch/communication/communiques/en/2021/securiser-les-transferts-de-donnees-grace-a-la-relativite/

https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/revolutionary-identity-verification-technique-offers-robust-solution-hacking-334564

https://physicsworld.com/a/special-relativity-keeps-digital-identities-secure/

#图片来源:

封面图来源:akitada31 / Pixabay

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