Химики превратили молекулу в криптографическую машину
Израильские химики из Института Вейцмана разработали криптографическую систему на основе сложной органической флюоресцентной молекулы. Использование нового вещества напоминает хорошо известную технологию невидимых чернил, но на другом уровне: сообщения не только скрываются, но и зашифровываются, а для их прочтения нужен ключ или «молекулярный пароль». Описание системы опубликовано в журнале Nature Communications.
В основе системы — молекула, получившая название m-SMS. В ее составе присутсвуют одновременно три флюоресцентные группы (флюоресцин, сульфородамин B и нильский голубой), которые могут участвовать в неизлучательном переносе энергии (FRET). За счет наличия этих флюорофоров вещество имеет довольно сложный спектр, который тонко реагирует на присутствие в растворе других веществ. За взаимодействие с ними в молекуле отвечают несколько активных групп, распознающих, например, сахара или ионы металлов. Имеются также гидрофобные и ароматические группы, с помощью которых вещество может взаимодействовать с другой ароматикой — например, присоединяться к ДНК.
Все эти группы превращают m-SMS в своего рода криптографическую машину: при добавлении постороннего вещества спектр молекулы сильно и непредсказуемо меняется, что авторы и используют для кодирования сообщений.
Кодировка работает следующим образом. Сначала пользователь переводит текстовое сообщение в цифровую (десятеричную) форму с помощью обычного открытого кода. Затем к m-SMS добавляется некое вещество X, которое меняет его спектр. Этот спектр считывается спектрометром с шагом в 20 нанометров и полученные значения флюоресценции переводятся в цифровую форму. Зашифрованное сообщение получается за счет того, что пользователь прибавляет к цифрам своего сообщения данные спектра, полученного при взаимодействии с m-SMS вещества Х.
Tanmay Sarkar,Karuthapandi Selvakumar,Leila Motiei& David Margulies, Nature Communications, 2016
Теперь расшифровать исходное сообщение может только тот, кто обладает веществом Х, для чего ему нужно получить соответствующий спектр и вычесть его значения из зашифрованного сообщения. Авторы статьи проверили работоспособность такого подхода в эксперименте, где закодировали фразу «Сезам откройся» с помощью одномолярного раствора соды, выступившего в качестве «вещества Х».
Однако m-SMS может выступать не только в качестве генератора ключа, но и как самостоятельный носитель информации, защищенный паролем. Это обеспечивается тем, что m-SMS может образовывать метастабильные комплексы, спектры которых зависят от порядка добавления компонентов. Например, если добавить к m-SMS вещества в последовательности 1-2-3, то итоговый спектр будет отличатся от того, что мы получим, добавляя вещества в последовательности 3-2-1, 2-1-3, 3-1-2 и т. д. Это свойство позволяет использовать m-SMS как носитель информации.
Tanmay Sarkar,Karuthapandi Selvakumar,Leila Motiei& David Margulies, Nature Communications, 2016
Ученые демонстрируют пример посылки зашифрованного сообщения следующим образом. Отправитель посылает письмо с неким отвлекающим текстом и картинкой, на которую нанесена капля m-SMS. Получатель вырезает картину, экстрагирует вещество с помощью растворителя, доводит его до заранее обговоренной концентрации, а затем последовательно добавляет нужные вещества, составляющие «пароль». На каждом этапе он снимает спектры и использует их для получения ключа. Затем с помощью этого ключа можно расшифровать сообщение, полученное по открытому каналу. Таким образом, m-SMS позволяет одновременно использовать и преимущества стеганографии, и криптографии.
Авторы статьи утверждают, что подобное шифрование проводится довольно просто и не требует оборудования более сложного, чем портативный ручной спектрометр. В качества «X» могут быть использованы легко доступные вещества вроде соды и аптечных лекарств — например, одно из сообщений было закодировано учеными с помощью глазных капель. Однако на практике химическая крипто- и стеганография почти не используется вот уже почти сто лет, хотя исследования в этом направлении активно ведутся (их популярный обзор можно прочитать, например, здесь).