Latvijas zinātnieks pēta galvenās kriptogrāfijas problēmas

Viens no Latvijas Universitātes spilgtākajiem zinātniekiem, kvantu datoru pētnieks, doktors Andris Ambainis, jau vairāk kā desmit gadus pēta kriptogrāfijas problēmas. Zinātnieks, kas veicis vairākus ievērojamus atklājumus šajā sfērā, uzskata to par perspektīvu zinātnes virzienu.

Kas ir kriptogrāfija?

Kriptogrāfija, kādu to redzam šodien, ir matemātikas nozare, kas nodarbojas ar datu drošības problēmām – šifrēšanu, datu autentifikāciju (datu raidītāja noskaidrošanu) un nodrošināšanos pret izmaiņām no kādas trešās puses. Galvenā kriptogrāfijas problēma: kā pasargāt datus nedrošās vidēs? Šis jautājums faktiski ir aktuāls jau kopš pašas rakstības izgudrošanas, bet pirmās liecības par šifru izmantošanu nāk jau no senās Grieķijas. Protams, vajadzības, laikam ritot, ir mainījušās. Tāpēc mūsdienās Cēzara šifra un vaska zīmogu vietā tiek izmantota viltīga matemātika.

Pagaidām zinātne pamatā pēta divus šifrēšanas veidus. Proti, tā ir klasiskā un asimetriskā (jeb publiskā) kriptogrāfija. Klasiskā kriptogrāfija pēta tos jautājumus, kas saistīti ar šifrēšanu, kādu vairums cilvēku iedomājas, skatoties filmas par spiegiem. Ir divi komunikatori ar slepenu “atslēgu” šifrētai ziņai. Un ja šo atslēgu “uzlauž” meistarīgs pretinieka dešifrētājs vai tā tiek atklāta kādā citā veidā, tad “spēle” turpinās jau ar “jauniem” noteikumiem.

Templiešu ordenis un pirmās bankas

Viens no spilgtākajiem piemēriem klasiskās kriptogrāfijas vēsturē ir stāsts par tā dēvēto Templiešu ordeni, kas savu izplaukumu piedzīvoja viduslaikos. Tas ir viens no pazīstamākajiem kristiešu militārajiem ordeņiem, kuru Romas Katoļu baznīca oficiāli apstiprināja ap 1130. gadu. Ordeņa bagātības, ietekmes un veiksmīgās darbības dēļ tas vēlāk pat kļuva par Francijas karaļa Filipa IV intrigu upuri.

Pirmā Krusta kara rezultātā 1099. gadā kristieši atguva Jeruzalemi no musulmaņiem. Tas deva iespēju eiropiešiem atsākt svētceļojumus uz šo vietu. Taču tas bija riskants pasākums, jo, neskaitot pašu Jeruzalemi, tieši ceļš uz to bija bīstams. Tajā bija pilns ar dažādiem noziedzniekiem, avantūristiem un krāpniekiem. Tādēļ 1119. gadā divi bruņinieki, Pirmā Krusta kara veterāni, francūzis Hjū de Peins (Hugues de Payens) un flāms Godfrīds Sen Omērs (Godfrey de Saint-Omer), ierosināja svētceļnieku aizsardzībai izveidot reliģisku (mūku) ordeni. Un lai arī sākotnēji tas tika veidots kā tīri militāra organizācija “Nabadzīgajiem Kristus un Zālamana tempļa bruņiniekiem”, bruņinieku skaits, kas regulāri piedalījās kaujās, veidoja samērā nelielu ordeņa daļu.

Skaitliski lielākas bija nemilitārās ordeņa vienības. Visās kristiešu ietekmes sfērās tās bija izveidojušas sazarotu saimniecisku infrastruktūru, kurā veidojās pirmie vēlākās Eiropas tirdzniecības un banku sistēmas aizmetņi. Minēto struktūru aizsākums bija bruņinieku naudas un dārglietu noguldījumi ordeņa glabātuvēs, tiem dodoties kārtējā karagājienā. Šo sistēmu drīz vien sāka izmantot arī svētceļnieki un tirgotāji.

Pirms došanās ceļojumā tirgotājiem bija iespēja noguldīt naudu un dārglietas ordeņa glabātuvē, pretī saņemot to apliecinošus dokumentus. Kad svētceļnieks bija nonācis savā galamērķī, tas, uzrādot šo dokumentu, varēja noguldījumu atkal saņemt. Tādējādi būtiski samazinājās ceļotāju risks tikt aplaupītiem, bet ordeņa rīcībā un pārvaldībā esošie līdzekļi vairojās. Savukārt noguldījumus apliecinošie dokumenti kļuva par vēlākajām kredītvēstulēm un norēķinu čekiem.

“No kriptogrāfijas viedokļa skatoties, ir skaidrs – šāda sistēma varēja pastāvēt un funkcionēt tikai pie nosacījuma, ka ordeņa izsniegtajiem dokumentiem bija savas slepenas atšķirības un pazīšanās zīmes. Citiem vārdiem sakot – bija jābūt šifram vai “atslēgai”, ko varēja atpazīt tikai naudas saņēmējs un izsniedzējs abos ceļojuma galapunktos,” klasiskās kriptogrāfijas būtību skaidro Andris Ambainis, ar humoru piemetinot, “pretējā gadījumā šādu “noguldījumu” dokumentu uzrādītāju būtu ļoti daudz, un diez vai tas sekmētu ordeņa bagātību vairošanos.”

No spiegu filmām līdz ikdienas vajadzībām

Savukārt asimetriskā kriptogrāfija, norāda zinātnieks, darbojas pēc pavisam citiem principiem. Vajadzīgā informācija tiek sašifrēta ar vienu “atslēgu”, bet atšifrēta jau ar citu “atslēgu”. Pirmo “atslēgu” (ar kuru ziņojums tiek sašifrēts) adresāts var kaut vai publicēt avīzē, savukārt, otra atslēga (kas domāta atšifrēšanai) jāglabā slepenībā. Tādā veidā tiek risināta klasiskās kriptogrāfijas galvenā problēma – kā ļaut izlasīt šifrēto ziņojumu, nedodot lasītājam pašu šifrēšanas “atslēgu”?

Minētais princips tiek pielietots, piemēram, interneta veikalos, banku elektroniskajos norēķinos un informācijas aprites sistēmās. Tāpēc mēs droši varam teikt, ka no spiegu filmām kriptogrāfija jau sen ir pārceļojusi uz mūsu ikdienas dzīvi. Bez drošas šifrēšanas nebūtu iespējama lielāka daļa attālināto elektronisko pakalpojumu, sākot ar e-parakstu, banku norēķiniem un beidzot ar tramvaja mēnešbiļetēm vai e-taloniem. Faktiski mēs lietotu tikai papīra naudu, valsts iestādes nevarētu izmantot kopējas datubāzes, bet automašīnu signalizāciju vietā būtu jāizmanto ķēdes un piekaramās atslēgas.

Kvantu datori un globālā drošība

Visām šifrēšanas formulām ir matemātiska struktūra, atklāj Andris Ambainis. Taču ar parasto datoru jaudu un programmatūru nepietiek, lai šo struktūru izprastu. Pavisam savādāk esot ar kvantu datoriem, kuru eksperimentālie prototipi jau darbojas. Kvantu datori izmanto pavisam citus principus, un to jauda būs pietiekama. “Jau šobrīd zinātne ir radījusi algoritmus kvantu datoriem, kas ļauj atrast un izprast parasto šifrēšanas formulu matemātisko struktūru. Tāpēc, neskatoties uz to, ka īsti kvantu datori šobrīd pastāv tikai “uz papīra” jau tagad ir jārada jaunas metodes un algoritmus, kas ļaus šifrēt datus tādā veidā, lai tos būtu praktiski neiespējami “uzlauzt” pat ar šādu jaunu skaitļojamo sistēmu palīdzību,” stāsta Andris Ambainis.

“Drošība ir nepārtraukta sacensība, un kibertelpas īpatnības padara to īpaši dinamisku,” saka kriptogrāfijas pētnieks. Viņš īpaši norāda, ka “Risinājums no ļoti droša par nederīgu var kļūt vienā acumirklī, tikko ir atrasta kāda ievainojamība.” Tāpēc, lai pēc iespējas izvairītos no šādiem starpgadījumiem, jau savlaicīgi ir jāveic pētījumi, kā arī nepārtraukti jāseko līdzi jomas attīstībai pasaulē. Šis arī ir iemesls, kāpēc kriptogrāfija esot tik svarīga ikvienai valstij. “Tā ir viena no fundamentālām zinātnes nozarēm, kas pēta drošību. Un uz tās balstās daudzi virzieni – sākot no vēstuļu šifrēšanas, līdz pretgaisa aizsardzībai,” saka Ambainis.

Kriptogrāfija Latvijā

Pagaidām ar kriptogrāfijas jautājumu akadēmisku pētniecību Latvijā nopietni, lai arī bez īpaša valsts atbalsta, ir nodarbojies tikai pats Ambainis. Viņam jau tagad ir zināmi sasniegumi asimetriskās un kvantu kriptogrāfijas pētniecības jomā, kur zinātnieks veicis vairākus atklājumus.

Piemēram, 2008. gadā Šveicē tika veikts eksperiments. Tā laikā politisko vēlēšanu rezultāti tika nosūtīti pa datortīklu, izmantojot kvantu kriptēšanu. Vēlāk cita zinātnieku grupa atklāja, ka šos vēlēšanu rezultātus bija iespējams modificēt. Ambainis pilnveidoja izmantoto protokolu, novēršot šo problēmu. Grūti iedomāties, kādas sekas varētu būt šādas ievainojamas informācijas elektroniskai pārraidei, ja tas būtu nevis eksperiments, bet gan, piemēram, ASV prezidenta vēlēšanas. Faktiski Latvijas zinātnieks radīja jaunu protokolu kvantu šifrēšanā, kura uzdevums ir novērst nepilnības jau esošajos protokolos.

Ambainis ir pārliecināts, ka līdzīgus atklājumus varētu veikt vēl un vēl. Taču, pirmkārt, tam būtu vajadzīgi kriptogrāfijas entuziasti no Latvijas jauno matemātiķu vidus. “Latvijā ir ļoti laba matemātiskās izglītības sistēma, taču studentiem būtu vērts vairāk aizdomāties par savu vietu darba tirgū. Datorspeciālists, tas, protams, ir labi, bet tādu ir daudz. Savukārt kriptogrāfija un sevišķi kvantu kriptogrāfija ir jau pavisam cits līmenis, kas piedāvā ne tikai milzu darba lauku un zinātniskās perspektīvas. Tā ir arī nauda un karjeras iespējas. Galu galā – drošības jautājumi pastāvēs un būs aktuāli vienmēr, kamēr vien eksistēs cilvēce,” uzskata Andris Ambainis.