科普 |《码书：编码与解码的战争》

密码世界的神秘洞天，智力英雄的决战笔记。

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听书笔记 

《码书：编码与解码的战争》作者西蒙·辛格是世界著名的科普作家，前BBC资深节目制作人。本书讲述了各个时代密码从创建到破解的过程，揭开密码背后那些智慧而非凡的秘密，是一部惊心动魄的信息战争极简史。 

第一回合，书写时代。

自有文字以来，信息就有了保密的需要。人们最早想要秘密地交流信息，只能单纯地把信息藏起来。一旦信息的载体被发现，内容马上就会曝光。于是，密码就应运而生了。密码的目的是把信息转译成无法理解的文字或符号。信息加密有两个必备工具，一个是算法，一个是钥匙。算法是指加密的规则。钥匙是指解开密码的特定字母集。钥匙的重要性远远高于算法。通常敌人拦截下加密信息时，能猜对它的算法，却很难推测出钥匙。钥匙的保密才是决定密码安全性的关键。

历史上第一套成熟的密码法是一个字母对应另一个字母，这套经典的密码法叫作“替代式密码”。早在凯撒大帝时期就开始使用了。26个字母任意对应生成钥匙，虽然操作容易，但是安全性却相当高，因为它可以组合出多到令人恐怖的钥匙数量。

阿拉伯人发明了攻破替代式密码的武器，叫做频率分析法。这个武器从语言结构上找到了突破。首先，字母出现的频率是有差异的。比如，英文语言中出现频率最高的字母是e，如果有一篇密码文，里面频繁地出现字母J，那它就很有可能是e的替身。

第二点，字母之间有特定的组合关系，比如密码文里出现两个相同的字母连在一起，就可以考虑ee、oo这样的常用组合，而不可能是xx、yy、zz。只要分析一下密码文里各字母出现的频率以及语言结构，就有可能破译密码。

强大的频率分析法攻破了替代式密码的防守阵地。

第二回合，无线电时代。 

19世纪末期，意大利的马可尼发明了无线电技术。无线电信号几乎可以传到世界任何一个角落，大大提高了信息传输效率，这也是它在军事用途上的最大弱点，因为敌人坐在家里就能拦截到所有信息。加密变得迫在眉睫。到第一次世界大战结束时，所有无线电密码还都是使用手工编码。直到第二次世界大战，德国发明了有史以来最可怕的加密系统“恩尼格玛”机，也叫“奇谜”机，意思是像谜一样的机器。 

恩尼格玛机是纳粹德国最大的秘密武器。它由键盘、编码器、显示板构成。发报员在键盘上敲下一个明文字母，它就会自动点亮相应的密码字母，它根本不是运行简单的替代式密码，而是同一个字母可以被不同的字母替换。在机器的内部，有三个编码盘，每输入一个字母，编码盘就会自动旋转一格。

恩尼格玛机收发信息都非常高效，德军每天都会更换钥匙，只要不能在当天破解出密码，那么到了第二天，此前的工作就全都白费。

波兰人马里安·瑞杰斯基找到了破绽。德军习惯在发送密码前，要先发送钥匙，钥匙也是要加密发送的。他们为了避免无线电干扰或者操作人员的失误，总会将钥匙重复发送两次。正是这种重复，让波兰人在铜墙铁壁上撕出了一条口子。

既然钥匙是重复两次发送的，那么密码文中第一个字母和第四个字母就表示的是同一个字母。从这样一个突破口出发，瑞杰斯基研究了大量的钥匙串，推导出了一套字母之间的关系链。每天用密码的前六个字母对比这套关系链，就能找到当天的钥匙。

1938年底，德国推出了恩尼格玛机的升级版，增加了编码盘和接线数量，这让钥匙的总数激增了一万五千九百倍，原来的那套字母链已经不适用了，所有工作都要重新开展。

计算机科学之父、人工智能之父艾伦·图灵找到了一种跟重复加密钥匙没有关系的方法。这种方法简单来说就是尝试全部的可能性，对钥匙进行地毯式搜寻。

图灵设计的这台机器名叫“炸弹”，它由很多个转盘组成。这些转盘三个一组，每组就相当于一台恩尼格玛机，可以模拟它的加密过程。操作员将推测出来的词组作为线索输入，机器就会自动进行破解，尝试各种组合的可能性。当找到正确的密码时，就能形成一个电流回路，电流一接通就会点亮灯泡，发出成功的信号。

第三回合，计算机时代。 

以往，检验所有的钥匙是人力不可能完成的工作，但是以现代计算机的运算能力，分分钟完成数亿次计算。根本就不需要动用语言专家去分析密码文，计算机直接给你找到钥匙。乍看上去，在计算机时代没有破解不了的密码。在20世纪70年代中期，编码专家们开了一个天大的脑洞，打破以往密码学的全部逻辑，获得了两千多年来密码学最伟大的突破。这一突破的核心叫做“非对称加密系统”。

之前，所有加密技术都是对称的，也就是说，解密过程等于是逆向执行加密过程。通信双方使用同一把钥匙，可以互相加密、解密。但是，在非对称加密系统里就不一样了，加密和解密要使用两把不同的钥匙。也就是说，发信人有加密钥匙，可以加密信息，但是如果要解密的话，就必须再搞到一把解密钥匙，没有解密钥匙，连发信人自己都无法破译自己的密码。比如你家的信箱，别人给你投递信件，这就好比把信件加了密，可一旦信被扔到信箱里，包括发信人自己也拿不出来了，只有你本人有钥匙，可以打开信箱把信取出。

在这套加密办法里，有两个关键点。第一，这个信箱必须绝对牢固，信件只能进不能出。第二，钥匙必须绝对安全，再强大的计算机也推算不出来。如何做到这两点呢？秘密有两个，一个是单向函数，一个是质数。 

单向函数就是只能单向运算，不能逆向运算的函数。通常的函数大多是双向函数，比如3+6=9；反过来， 3加上多少等于9，很容易能推算出来数字6。而单向函数就不具备这种逆向推算的可能，比如16除以5的余数是1，反过来，一个数除以5的余数是1，这个数是多少，答案可以是16，也可以是26、36，等等。

密码学家利用这种函数，设计了一套加密过程：先将信息转换成一个数字，把数字套进单向函数里，求出另一个数字，那这个数字就是信息的密码文。1977年，三位麻省理工学院的研究员找到了这样的单向函数。这个函数只有在一种情况下可以求出原值，那就是拿到钥匙。

质数，就是只能被1和自身整除的数，两个质数的乘积很容易求出来，要把这个乘积分解开来却很难，利用质数的这种性质，可以制造两把钥匙，一把用来加密，一把用来解密。比如，我们选择两个质数7和13作为解密钥匙，把它们相乘得到91，然后用91作为加密钥匙。这把加密钥匙对外公开，所有人都可以用91来给你发加密信息。把91套进前面说的单向函数，得到一个专属单向函数。再把秘密信息套进专属单向函数，生成一条密码文。当你收到这条密码文时，只有你知道解密钥匙是7和13，能够破解密码。只有加密钥匙91的人，是无法破解密码的。

实际使用的质数是非常庞大的。数学发展至今2千多年，还从未找到分解两个质数乘积的捷径。就算有1亿台计算机联合起来，要破解这两个质数，也需要1000年的时间。因此，在当下的条件，密码是无法被攻破的。

这套非对称加密系统也叫做RSA系统，在目前是全球通用的加密系统，被广泛地运用在各行各业。

第四回合，量子时代。

量子是现代物理学最重要的概念之一，它是物质的最基本构成单元，或者说是能量的最基本携带者。所有的微观粒子，包括原子、电子、光子都是量子的一种表现形态。在这里，量子世界中最重要的一个特征，叫做状态叠加。 

如果有一台量子计算机，就可以一次性把所有的问题同时输入进去，机器本身就会进入叠加状态，同时处理这些问题。如果真的开发出量子计算机，那么编码专家们建立起的非对称加密系统将被彻底攻破。

面对量子计算机，编码专家们也在升级更加强大的加密系统，一套即使面对量子计算机的威力也无所畏惧的加密系统。这套系统同样脱胎于量子力学，它就是量子密码。

一套密码系统的核心在于钥匙的安全性，只要钥匙遭到窃取，所有的保密工作就都白费了。在计算机时代使用的非对称加密法就是围绕保护钥匙来设计，你可以窃听拦截，但是没有量子计算机你就算不出来。而量子密码则不同，它的最大优点是你根本就无法窃听。

量子有一个神奇的特性，它害怕被人观测。量子可以有多种状态同时存在。当我们闭上眼睛不去看它，它就像幻影一般经历着世间全部的可能性。可是，只要你一睁眼去观察它，那么一切可能性就将瞬间消失，它会随机选择一种可能性，以一个确定的位置出现在我们面前。不但如此，你还永远无法精准地测量它。因为人类的观测工具实在太宏大了，仅仅是观察和测量这个动作本身，就会不可避免地扰乱它的运动状态。

量子密码正是运用了这样的原理。在通信过程中，传输钥匙的载体是一个个单独的光子。这些光子有不同的偏振方向，代表0或1，接收方需要通过侦测器来接受光子，和发送方确认测量结果是否正确，留下正确的结果作为钥匙，这个沟通过程只判断测量是否正确，不涉及内容，被窃听到了也没关系。在光子传播过程中，如果有人试图窃听和测量这些光子，就会立即改变它们的振动方向，也就改变了光子携带的信息。 

目前，量子密码还处在发展和完善过程中，如果最终它能实现远距离运作，那么密码的进化史就将写下句号，人类对保密的追求也将就此结束。胜利属于编码者。

解读 | 韩春苗，中央广播电视总台编辑，国际新闻学硕士，全国广播影视“十佳百优”理论人才。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫