Ученые заявили о создании шифра на основе ДНК, который невозможно взломать 

Фото из открытых источников

Защита конфиденциальной информации, стратегически важный аспект информационной эпохи, получила революционный импульс. Многопрофильная группа французских и японских ученых успешно разработала и протестировала криптографический метод, использующий дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) в качестве вектора для генерации и обмена ключами шифрования, достигнув уровня безопасности, ранее считавшегося доступным только сложным и дорогостоящим системам квантовой криптографии.

Данная работа, сочетающая химию полимеров с информатикой, является результатом сотрудничества Французского национального центра научных исследований (CNRS), Токийского университета, Лиможского университета, IMT Atlantique и Парижской высшей школы промышленной физики и химии (ESPCI Paris – PSL).

Чтобы понять масштабы этого прогресса, необходимо помнить, что шифрование конфиденциальных данных, будь то дипломатических, военных или научных, в настоящее время основано на так называемых «условных» методах. Его безопасность не является абсолютной, а зависит от предположения, что ни один противник не обладает вычислительной мощностью, необходимой для взлома кода в приемлемые сроки.

Однако существует более совершенная категория: «безусловная» криптография, ярким примером которой является шифр Вернама, также известный как метод одноразового блокнота (OTP). Эта система, разработанная в начале XX века, обеспечивает математически совершенную безопасность, то есть она неуязвима даже для злоумышленника с бесконечными вычислительными возможностями, при условии соблюдения трех незыблемых условий: ключ должен быть такой же длины, как и сообщение, использоваться только один раз и быть «совершенно» случайным, что делает невозможным его предсказание.

Историческое препятствие, мешающее широкому распространению метода OTP, заключается не в его теоретической силе, а в практической сложности генерации и, прежде всего, обмена этими чрезвычайно длинными случайными ключами между отправителем и получателем, особенно на значительных расстояниях.

Именно здесь молекула ДНК выступает в качестве идеальной среды. Каждая нить ДНК состоит из последовательности четырех химических оснований — аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G), — и химики могут коммерчески синтезировать длинные цепи, порядок оснований в которых статистически случаен. Эта возможность позволяет получать последовательности, которые по своей природе отвечают требованию идеальной случайности, предъявляемому методом OTP.

Разработанный франко-японской командой протокол столь же элегантен, сколь и надежен. Ученые готовят наборы фрагментов ДНК полностью синтетического происхождения, из которых с помощью ферментативных процессов создают идентичные копии. Одна копия набора остается у отправителя, а другая доставляется получателю.

Таким образом, оба участника обладают физическим резервуаром общей энтропии, которую не нужно передавать во время связи, что позволяет обойти проблему расстояния. Когда оба участника хотят установить защищенный канал, они используют мощные секвенирующие машины, которые считывают молекулы их соответствующих наборов ДНК для одновременного и независимого создания двоичного цифрового ключа — состоящего из нулей и единиц — который идентичен для обоих. С помощью этого ключа они могут шифровать, передавать и расшифровывать сообщения объемом до нескольких сотен мегабайт.

Одним из наиболее примечательных аспектов этого подхода является то, что генерация общих ключей не зависит от физического расстояния между отправителем и получателем. Поскольку фрагменты ДНК физически доставляются заранее, этот процесс может быть осуществлен независимо от того, находятся ли собеседники в одной комнате, на разных континентах или, теоретически, если один из них находится на Луне.

Эта особенность дает методу преимущество даже перед квантовой криптографией, системы квантового распределения ключей (QKD) которой ограничены затуханием сигнала в оптических волокнах и требуют надежных ретрансляторов на очень больших расстояниях.

Технические преимущества ДНК как носителя информации выходят за рамки географической независимости. Этот полимер обеспечивает беспрецедентную плотность и стабильность хранения информации. При надлежащем хранении он может оставаться неповрежденным на протяжении тысячелетий, и всего нескольких миллиграммов этого материала достаточно для хранения эксабайтов двоичной информации, что эквивалентно емкости одного миллиона обычных жестких дисков.

Однако именно в области безопасности эта методология демонстрирует свои самые сильные стороны. Ученые подвергли систему различным сценариям атак и пришли к выводу, что даже если ДНК, используемая для генерации ключей, будет перехвачена, канал связи останется неприкосновенным.

Объяснение кроется в самой природе носителя информации. Поскольку существует только две идентичные копии каждой последовательности ДНК — одна у отправителя, а другая у получателя, — любая часть ключа, которая может быть украдена, не будет использована повторно участниками переписки, что гарантирует принцип одноразового использования.

В более сложном сценарии, если злоумышленник попытается усилить перехваченные образцы с помощью молекулярных методов, чтобы получить множество копий, прежде чем вернуть их законным владельцам, такая манипуляция оставит след. Процесс усиления изменит количество копий каждого фрагмента, создавая количественные аномалии, которые легко обнаруживаются отправителем и получателем с помощью простого подсчета. Подозревая взлом, корреспонденты просто решат не использовать эти ключи, сохраняя целостность системы.

Сочетание присущей методу случайности, независимости от расстояния, физической стабильности и механизмов обнаружения помех придает методу, разработанному в рамках франко-японского сотрудничества, уникальный статус: он делает практически и надежно доступным единственное семейство криптографических алгоритмов, обеспечивающее безусловную безопасность, математически доказуемую и освобождающую его от зависимости от вычислительной мощности противника.

После успешного тестирования в реальных условиях исследователи считают, что эта технология открывает конкретные перспективы для защиты наиболее конфиденциальных сообщений в дипломатической, военной и научной сферах. В долгосрочной перспективе ее применение может распространиться на экстремальные условия, такие как космическая связь или защита критически важной цифровой инфраструктуры, где надежность и гарантированная неприкосновенность обмена данными являются основополагающими требованиями, которыми нельзя пренебрегать.