看不见的密码：一滴墨水写一本《绿野仙踪》

想象一下，现在你有一份极其复杂且冗长的秘密文件需要传递给你的同伴，但出于安全考虑，你不能使用网络，甚至不能使用有形的字符，你该怎么办？

如今，你或许可以将能够解开这份文件的“密码”隐藏在墨水的化学结构里，用这墨水随便写一封信，寄给你的同伴。没有人能想到“密码”藏在组成墨水的分子之中。

听起来像是从谍战片串场到了科幻片？但它确实是可行的。

论文截图

近期，这项题为《使用同时测序、序列定义的寡聚氨基甲酸酯混合物的分子加密和隐写术》的研究发表在ACS Central Science杂志上。研究团队采用256位加密密钥，并将其编码为一种类似塑料的材料——寡聚氨基甲酸酯（oligourethane），得到了一种能够加密大型数据集的新存储介质。

理论上，即使超级计算机从宇宙大爆炸那年开始计算到今天，都无法对256位的密钥完成破解。

“在信息存储方面，我们正设法以一种持久和可读的格式，在最小的空间内存储数据。”论文通讯作者、UT-Austin化学学院教授Eric Anslyn说。

研究团队设计了16种不同的氨基甲酸酯单体，将它们分别与十六进制的16种字符（0~9，A-F）对应起来。每个十六进制字符占4位（bit），因此，每个单体提供4位的存储密度。随后，研究团队用这16种单体合成8种长度相同、序列不同的寡聚物，每个寡聚物总长10个单体，其中8个带编码信息。将它们混合加入墨水中，如此一来，从墨水中提取出这些寡聚物并进行测序，就能获得8（8种单体）×8（8种寡聚物）×4（4位存储密度）=256（位）信息。

此外，研究团队还用同位素标签使每个寡聚物能够更好地彼此区分，因此，即使是含有多达96个特定分子的混合物，也可以进行序列解读。

通过这种方法， Anslyn实验室加密了L. Frank Baum《绿野仙踪》的全文文本。首先，实验室中的一台机器人利用市售氨基酸原料合成了8种寡聚物“分子密码”；之后将“分子密码”混合物溶解在异丙醇中，并与甘油和烟灰结合，制成可写油墨；再将“墨水”放入空圆珠笔，用它手写一封信，从德克萨斯州的奥斯汀邮寄到马萨诸塞州的洛厄尔，在合作者Reuther的实验室进行提取、测序和解密。借助液相色谱质谱仪和一组仪器指令，合作者在第一次尝试中便能够正确地解读出这个256位的加密密钥，并用该密钥解密了这本书。

用“分子密码”加密、解密一本书 | 参考文献[1]

如今，随着量子计算时代的临近，量子计算机在几秒钟内就可能破解标准8位密码，这就催生了对更新、更复杂的加密方法的需求。“分子密码”的出现创造了一种可能性——将密钥隐藏在各式物品的分子结构中，不仅仅是墨水，也可能是纸张、项链、钥匙扣等等。

“我们认为，这是有史以来第一次将如此多的信息存储在这种类型的聚合物中，它标志着分子数据存储和密码学领域的革命性科学进步。”Anslyn表示。

研究中用到的这类聚合物被称为序列定义的聚合物（Sequence-defined polymers，SDPs）。大家所熟知的DNA其实也是一类SDP，它的“单体”就是四个碱基：A、G、C、T，可以看作一个四字符编码系统。

“设想一下，通过DNA，所有制造人类所需的信息都被存储在一个小小的细胞中，而这只用到了4个‘字符’。”Anslyn说，“现在我们有16个‘字符’可以使用，信息存储密度还能更高。”

[1] Samuel D. Dahlhauser et al, Molecular Encryption and Steganography Using Mixtures of Simultaneously Sequenced, Sequence-Defined Oligourethanes, ACS Central Science (2022). DOI: 10.1021/acscentsci.2c00460

[2] https://phys.org/news/2022-07-scientists-encode-wizard-oz-vanishingly.html

编译：竹子

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图来源：《模仿游戏》

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