这封信里隐藏着一个密码，藏在写信用的墨水里

原文标题：《这封信里隐藏着一个密码，你猜藏在哪？》

你看，这幅图中有些叶子掉光的树。图中每一格像素的色彩，可以由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量共同决定。假如把各个像素的 RGB 数值，依照特定的规则进行变换，会得到一张完全不同的图片。

那个变换规则就是密钥。假如使用的密钥正确，完成变换之后再把解得的图片调亮些，就会发现里面藏着一只小猫。

如此一来，当小明把树的照片发送给小红，即便数据在传输过程中被外人截获，对方也只能看树。唯有掌握正确密钥的小红，才会知道小明想给自己看的其实是猫。这便是隐写术（Steganography），用一些肉眼可见的信息，为真正要传递的信息打掩护。

在从前的战争中，人们常常要用密码本把密钥送去前线，来保障加密通信的进行。但是，在非对称加密（用公钥加密、用私钥解密）的技术还没出现的年代，一旦密码本被敌方拿到，通信内容可能就不再安全了。

那么，假如利用“隐写术”的思路，把密码本里的密钥藏在无用的信息背后，对手就很难从中找出真正的密钥了吧？最近，德克萨斯大学奥斯汀分校的一群科学家，给远在马萨诸塞大学洛威尔分校的詹姆斯・鲁瑟（James Reuther）教授写了封信：

亲爱的鲁瑟教授，

希望您在洛威尔收到信时一切安好！

我们的分子加密计划进展顺利。期待和您聊一聊！

祝好，

安斯林实验室

简短的信里，暗含着一份密钥。假如你还在仔细阅读这封信，请千万不要放弃，因为这密钥不在信的字句里，而在写信用的墨水里……

神奇墨水是什么？

近年来，随着科学家的想象力与日俱增，能够用来存储信息的载体越来越多。比如，在纳米级的 DNA 分子中存进一本小说的内容，可能已经不算是令人惊奇的操作。毕竟，像人体这样复杂而精密的机器，也是根据 DNA 编码的信息组装而来，它的存储能力可想而知。

相比之下，一些非生物的聚合物还不能像 DNA 那样高密度地存储数据，常常只能存下几个字节或是一个单词，而且从中读取信息也很不容易，不过研究者乐于接受挑战。德克萨斯大学奥斯汀的化学教授艾瑞克・安斯林（Eric Anslyn）和小伙伴们，想试着把一份加密文件的密钥，保存在序列可控的聚合物（sequence-defined polymers）里。

首先，科学家用计算机生成了一份长达 256 位的二进制密钥，就是由 256 个 0 或 1 组成的一串数字 —— 用来给一本小说的全文加密。这样的密钥有 2²⁵⁶≈10⁷⁷ 种可能的排列方式，用计算机暴力破解几乎不可能。利用这串数字来给信息加密，安全系数很高，但前提是密钥不被泄露出去。

那么，接下来就需要设计用来储存密钥的聚合物。研究者选用的聚合物是低聚氨基甲酸酯（oligourethane），一种很像塑料的材料。他们把 256 位的密钥分成 8 份，储存在 8 个不同的低聚物序列里面，那么每个序列要代表 32 位数字。

你或许觉得，那每个聚合物需要有 32 个单体吧。并不用，事实上一个聚合物序列只包含 10 个单体，且仅有中间的 8 个单体负责编码密钥。用 8 个单体表示出 32 位数字，要如何做到？

别忘了，32 位数字是二进制中的 32 位，假如用两种不同的单体分别表示 0 和 1，才需要 32 个单体。但科学家设计了 16 种不同的氨基甲酸酯单体，分别代表 0~9 和 A~F，这样就能将二进制数转换为十六进制的数：16 是 2 的四次方，十六进制中的 1 位数字可以代表二进制中的 4 位数字。如此一来，二进制中的 32 位数字便能写入一个聚合物中间的 8 个单体里。

256 位的密钥，写在 8 种聚合物序列里。等到密钥被分发出去，接收的一方还需要知道先读哪个序列、后读哪个序列，才能拿到正确的密钥。对此研究者也有准备，每个聚合物序列里除了代表数字的 8 个单体，还有首尾两个单体作为占位符。其中一个是解码占位符，科学家为它做了同位素标记，好像“指纹”一样，8 个序列中的标记各不相同，指示着读取的顺序。

加密完成之后，研究团队把 8 种聚合物（各 500 纳摩尔）都溶解在异丙醇里，又在溶液中混入了甘油和碳烟。这些物质共同构成一种特别的墨水，科学家把墨水灌进了圆珠笔。开头提到的那封信，便是用这支笔，在普通的打印纸上写成的。

而远在 2000 英里之外，另一间实验室里的詹姆斯・鲁瑟教授和他的同事们，会在收到信件后，从中寻找隐藏的密钥。

存进去容易，怎么读出来？

读取聚合物里编码的信息，大概是分子存储当中最难的一步。

写信的墨水里面，一共有 8 个聚合物序列需要读取。通常来说，使用串联质谱（MS / MS）方法的时候，研究者要单独分析每一种聚合物，以免谱图变得太过复杂。假如能够在一份混合物当中，同时分析 8 种低聚物的序列就好了。

科学家想到一种新的方案，就是把组成聚合物的单体一个个“砍下来”，或者叫解聚合。从墨水中提取出藏着密钥的 8 种聚合物之后，利用热诱导的环化反应，每次可以从聚合物的末端去除一个单体。这样，那 8 种被逐步拆掉单体的聚合物，就能利用液相色谱-质谱联用（LC / MS）技术来实现同时测序，不再需要分开检测。

研究者就让这些大分子在 70℃的环境下慢慢解体。而仪器要在指定的时间点进行采样，看聚合物们被拆到哪步了。一开始，仪器只能检测到 8 种聚合物，那就是初始版本。等到 550 分钟过后，聚合物几乎都变成了一个一个的单体。

密钥一共用了 8 个聚合物序列，每个序列最初有 10 个单体。当聚合物被砍下一个单体，剩余部分的质量就会减少。当聚合物的长度从 10 个单体变成 9 个单体、8 个单体，最终只剩 1 个单体，科学家在此过程中一共会获得 80 个不同的质量。

依靠这 80 个质量数据，加上研究者识别出的 8 个同位素标签（用来指示读取顺序），研究者终于读出了聚合物中藏着的那串数字。只不过，它还是十六进制的版本，再转换成二进制就是 256 位的密钥了。

假如你还记得，在德克萨斯州的实验室里，研究团队用这密钥加密了一份文件。而当马萨诸塞州的科学家用密钥解开文件，发现那是《绿野仙踪》小说的全文。

或许在研究者心里，这场传递“密码本”的谍战游戏，像小说的情节一样曲折。而结局也让他们十分兴奋。这项研究的主要作者之一，艾瑞克・安斯林教授说，还是第一次在这种类型的聚合物（即序列可控聚合物，SDP）里储存如此多的信息，这标志着分子数据存储和密码学领域的革命性的进步。

毕竟，存储能力超强的 DNA 也只有 4 种不同的碱基（A、T、C、G），而科学家这次用了 16 个不同的单体来编码信息，代表序列可控聚合物的存储潜力还很大。

原论文： 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00460

参考链接：

• https://www.eurekalert.org/news-releases/958890

• https://research.utexas.edu/showcase/articles/view/scientists-encode-wizard-of-oz-in-a-vanishingly-small-plastic

• https://www.researchgate.net/figure/Steganography-used-to-hide-the-image-of-a-cat-in-the-image-of-a-tree_fig2_344459934

本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），撰文：栗子，审校：二七

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