看不见的密码：一滴墨水写一本《绿野仙踪》
2022/8/2 10:31:38 我是科学家iScientist

     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。

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     “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。”

     参考文献

     [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》

     研究团队

     通讯作者 Eric Anslyn：德克萨斯大学奥斯汀分校化学学院

     通讯作者James F. Reuther：马萨诸塞大学洛厄尔分校化学学院

     第一作者 Samuel D. Dahlhauser：德克萨斯大学奥斯汀分校化学学院

     论文信息

     发布期刊ACS Central Science

     发布时间 2022年6月29日

     论文标题Molecular Encryption and Steganography Using Mixtures of Simultaneously Sequenced, Sequence-Defined Oligourethanes

     (DOI：https://doi.org/10.1021/acscentsci.2c00460)

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