用相对论保护数据传输：信息的传播速度不能超过光速
FUTURE远见| 2021-11-22
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UNIGE 的一个团队基于相对论的物理原理，实施了一种新方法来保护数据传输。
传输的数据量不断增加，但无法保证这些交易所的绝对安全，新闻中经常报道的黑客攻击案例就是证明。为了对抗黑客攻击，瑞士日内瓦大学 (UNIGE) 的一个团队基于「零知识证明」的概念开发了一种新系统，其安全性基于物理相对性原理：信息不能传播比光速还快。因此，现代物理学的基本原理之一允许安全的数据传输。该系统允许用户在不泄露任何个人信息的情况下完全保密地识别自己，有望在加密货币和区块链领域得到应用。这些结果可以在《自然》杂志上阅读。
当一个人（所谓的「证明者」）想要确认他们的身份时，例如当他们想从 ATM 机取钱时，他们必须将他们的个人数据提供给验证者，在我们的例子中是银行，处理这些信息（例如识别号和密码）。只有证明者和验证者知道这些数据，保密性是有保证的。如果其他人获得了这些信息，例如通过入侵银行的服务器，安全就会受到威胁。
零知识证明
为了解决这个问题，理想情况下，证明者应该能够确认他们的身份，而无需透露任何有关他们个人数据的信息。但这可能吗？令人惊讶的是，答案是肯定的，通过零知识证明的概念。「想象一下，我想向一位同事证明一个数学定理。如果我向他们展示证明的步骤，他们会被说服，但随后可以访问所有信息并可以轻松复制证明，」UNIGE 科学学院应用物理系教授 Nicolas Brunner 解释说。「相反，通过零知识证明，我将能够让他们相信我知道这个证明，而不会泄露任何有关它的信息，从而防止任何可能的数据恢复。」
1980 年代中期发明的零知识证明原则近年来已付诸实践，尤其是在加密货币方面。然而，这些实现有一个弱点，因为它们基于数学假设（特定的编码函数难以解码）。如果这一假设被推翻，安全性将受到损害，因为数据将变得可访问。今天，日内瓦团队在实践中展示了一个完全不同的系统：相对论的零知识证明。安全在这里基于物理概念，即相对性原理，而不是基于数学假设。相对性原理（信息的传播速度不会超过光速）是现代物理学的支柱，不可能受到挑战。
双重验证
实施相对论零知识证明涉及两个遥远的验证者/证明者对和一个具有挑战性的数学问题。「我们使用三色性问题。这种类型的问题由一组由链接连接或不连接的节点组成的图形组成，」UNIGE应用物理系教授 Hugo Zbinden 解释说。每个节点被赋予三种可能颜色中的一种——绿色、蓝色或红色——并且链接在一起的两个节点必须是不同的颜色。这些具有 5000 个节点和 10000 个链接的三色问题实际上是不可能解决的，因为必须尝试所有可能性。那么为什么我们需要两对检查器/证明器？
「为了确认他们的身份，证明者将不再需要提供代码，而是向验证者证明他们知道一种方法可以将某个图形三色，」尼古拉斯·布伦纳 (NicolasBrunner) 继续说道。可以肯定的是，验证者会在通过链接连接的图上随机选择大量节点对，然后询问各自的证明者该节点是什么颜色。由于这种验证几乎是同时进行的，证明者在测试过程中无法相互交流，因此不能作弊。因此，如果宣布的两种颜色总是不同的，验证者就会确信证明者的身份，因为他们实际上知道这个图的三色。
「这就像警察在不同的办公室同时审问两名罪犯：这是检查他们的答案是否匹配的问题，而不是让他们相互交流，」Hugo Zbinden 说。在这种情况下，问题几乎是同时发生的，因此证明者无法相互交流，因为这些信息必须比光速传播得更快，这当然是不可能的。
「最后，为了防止验证者复制图，两个证明者以相关的方式不断改变颜色代码：绿色变成蓝色，蓝色变成红色等等。任何有关它的信息，」这位日内瓦物理学家说。
可靠且超快
在实践中，这种验证进行了超过 300 万次，而且都在不到三秒的时间内。「我们的想法是为每个人或客户分配一个图表，」尼古拉斯·布鲁纳 (Nicolas Brunner) 继续说道。在日内瓦研究人员的实验中，两个证明者/验证者对相距 60 米，以确保它们无法通信。「但是这个系统已经可以用于，例如，在一家银行的两个分行之间使用，并且不需要复杂或昂贵的技术，」他说。然而，研究小组认为，在不久的将来，这个距离可以减少到一米。每当必须进行数据传输时，这种相对论的零知识证明系统将保证数据处理的绝对安全性，并且不会被黑客入侵。「在几秒钟内，我们将保证绝对机密，」Hugo Zbinden 总结道。
参考：
「实验相对论零知识证明」，作者：Pouriya Alikhani、Nicolas Brunner、Claude Crépeau、Sébastien Designolle、Raphaël Houlmann、Weixu Shi、Nan Yang 和 Hugo Zbinden，2021 年 11 月 3 日，Nature。
DOI：10.1038/s41586-021-03998-y
原文链接：
https://scitechdaily.com/securing-data-transfers-with-relativity-information-cannot-travel-faster-than-the-speed-of-light/
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