自古以来，人们一直依赖密码来传递有用的信息，这是一种关于加密和解密编码信息的艺术。古代，加密的信息被写在皮革或纸上，由人类信使传递；今天，信息在互联网上传播，密码则保护电子数据不被破译；未来，密码学可能会再次飞跃，随着量子计算机的出现，密码学家正在利用物理学的力量制造迄今为止最安全的密码。
历史中的原始加密法
“cryptography”（密码学）一词源自希腊语“kryptos”，意思是隐藏，以及意为写作的“graphein”，合起来就是隐藏写作的意思。密码学不是在视觉上隐藏信息以躲避他人的观察，而是通过他人无法阅读的语言进行通信。
要加密消息，发件人必须使用被称为算法（algorithm）的系统性方法来改变内容，对原始消息（明文，plaintext）进行加密，使其字母或文字以无法理解的顺序排列，或者每个字母被另一个字母替换，由此产生的乱码被称为密文（ciphertext）。
根据密码学历史中心（Center for Cryptologic History）的说法，在古希腊，斯巴达军方使用一种叫做密码棒（scytale）的装置来加密信息，这种装置由一条皮带和一根木棍组成。在展开时，皮带似乎只是一串随机字符，但如果缠绕在一定大小的木棒上，字母会对齐成单词。这种技术被称为转置密码，也称换位密码（transposition cipher）。
密码棒（scytale）
还有一种简单的加密方法，称为替换式密码（substitution cipher），具体操作起来就是：发送消息者将明文中的每个字母换成另一个字母，例如将所有“A”写成“Z”，依此类推，最终替换完的文本就成了密文。为了解密这样的消息，发送者和接收者需要就信息中的哪些字母被替换达成一致，就像斯巴达士兵需要拥有相同大小的密码棒一样。
第一个密码分析师
将密文恢复为明文所需的具体方法和规律，称为密钥。密钥不被破解，才能保证消息的安全性。如果想在没有密钥的情况下破解密码，需要大量的知识和技能，以及不可思议的计算量。
根据西蒙·辛格（Simon Singh）《密码故事:人类智力的另类较量》（The Code Book）中的说法，一直到公元8世纪，阿拉伯数学家肯迪（al-Kindi）意识到替换式密码的弱点，这种使用了上千年的密码才被破译。
肯迪
肯迪注意到在所有拼写语言中，某些字母的使用频率远高于其他字母，如英语中高频字母“e”“t”“n”等，在此基础上通过分析在密文中最常出现的字母来反转替换，最终破译密码。肯迪通过统计推理的方法，让阿拉伯数学家成为了世界上最早的密码分析师，迫使密码学家改进加密算法。
随着密码学的不断进步，密码分析师们也开始了艰苦卓绝的升级。在密码的“加密与破译”这场永不停歇的战斗中，最着名的激烈冲突发生在二战期间——盟军密码分析师与德国恩尼格码密码机（Enigma）之间的恩怨。恩尼格码机使用替换算法加密消息，其复杂密钥每天都会更改。根据美国中央情报局的说法，英国数学家、密码分析师艾伦·图灵（Alan Turing）开发了一种名为“炸弹”的装置来跟踪恩尼格码机的变化规律，在波兰破译小组的帮助下，最终破译了恩尼格码机。
互联网时代的密码学
进入数码时代，密码学的目标没有变：防止沟通双方交换的信息被第三个人知道。计算机科学家经常将沟通双方称为“爱丽丝和鲍勃”，他们会被一个名叫“夏娃”的讨厌偷听者打扰。这种拟人化叫法最初是在1978年的一篇讲述数字加密方法的文章出现，随后就成了计算机领域的流行词。
互联网的出现引入了一个新的加密问题：如果爱丽丝和鲍勃位于地球的两侧，那么他们如何在公开的互联网中分享密钥，而夏娃不会得到密匙呢？根据可汗学院（Khan Academy，非营利性教育组织）的说法，公钥加密（Public key cryptography）成为最流行的解决方案，即爱丽丝和鲍勃在夏娃的监视下交换他们的密文和公钥，但双方都为自己保留一把私钥。通过将两个私钥应用于密文，共享加密信息。
在《RSA密码系统：历史、算法、素数》（The RSA Cryptosystem：History、Algorithm、Primes）一书中，迈克尔·卡尔德班克（Michael Calderbank）介绍了目前广泛使用的公钥加密技术，称为RSA加密。这种加密法利用了素数的数学性质：将两个素数（大于1的自然数中，只能被1和自己整除的数）相乘毫不费力，但给定一个数字，反推出它是由哪两个素数相乘的结果，就不那么容易了。如果这个数字够大，那么即使是地球上最快的计算机，也可能需要数百年才能完成计算过程。
当然，RSA加密也并非万无一失，很多聪明人想到了破解方法，比如通过记录拥有密钥计算机打开加密信息的速度，能够反推出这个素数密钥的范围。为了寻找更加先进的加密技术，量子物理学登场了。
迈出一大步的密码学
为了寻找一种牢不可破的密码，今天的密码学家们正在研究量子物理学。量子物理学以极小的尺度描述了物质的“奇怪”行为，著名的例子就是薛定谔和他的猫。早在20世纪80年代，物理学家就开始尝试这种时髦的方式来加密消息，这种方法现在被称为“量子密钥分配”。
传统密钥是以字节为单位编码，量子加密则可以对粒子属性编码，这种粒子通常是光子。偷窥者夏娃必须通过测量光子来窃取密钥，但根据量子力学，任何偷窥粒子的观察行为，都会改变它的状态。当夏娃行动时，爱丽丝和鲍勃就会发现交流存在安全漏洞。
阿图尔·埃克特（Artur Ekert）
20世纪90年代，牛津大学的阿图尔·埃克特（Artur Ekert）提出了一种新的量子加密技术，这种技术基于“量子纠缠”现象，允许两个光子在很远的距离上进行实时通信。
“量子拥有这种神奇的属性，如果你将它们分开，甚至超过数百千米，它们还会彼此感受到，”埃克特说，“这种特性允许爱丽丝和鲍勃制作共享密钥，并交流信息。如果窃听者试图拦截密钥，则粒子就会有反应，并且测量值会发生变化。沟通双方发现窃听者，立刻放弃交流，换另一种方法。又因为量子通信是实时的，当发现窃听者后，放弃信息传输，并不会泄露任何内容。”
量子密码学不仅仅是一个抽象的概念，如今已经有了实践案例。据有关媒体报道，2004年时，研究人员通过纠缠光子将3000欧元转入了银行账户。据《新科学家》（New Scientist）杂志报道，2017年，研究人员用卫星向地球发射了两个纠缠光子，使它们在1203千米的距离上实现了连接。
“如果你拥有一台实力强劲的量子计算机，那么现有的加密系统，都不再是安全的了。”阿图尔·埃克特说，“我们不知道工程师何时造出这种计算机，但对于密码学家来说，我们现在最好开始做点什么了。”
厕读观点：其实，自从文字被发明后，关于信息加密的需求就出现了，不管是经济、军事、政治上的大事，还是情侣之间的柔情蜜语，人们都不希望被无关的人打听到有用的信息，所以为了实现信息的安全传递，人们不断更新加密技术，从密码棒、换位密码，到恩尼格码机，再到量子加密技术。因为信息越来越重要，加密法就得越来越高级，虽然为了保住秘密，人们被折磨得疲惫不堪，焦头烂额，但我们还在密码游戏中玩得乐此不疲，这也许就是密码学的魅力所在。
参考资料：
《Crash Course Computer Science》
《密码故事:人类智力的另类较量》（The Code Book）Simon Singh
《RSA密码系统：历史、算法、素数》（The RSA Cryptosystem：History、Algorithm、Primes）Michael Calderbank
《新科学家》（New Scientist）
