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這種加密通信，或許能抵御黑客入侵。

撰文 | 栗子

審校 | 二七

你看，這幅圖中有些葉子掉光的樹。圖中每一格像素的色彩，可以由紅（R）、綠（G）、藍（B）三個分量共同決定。假如把各個像素的 RGB 數值，依照特定的規則進行變換，會得到一張完全不同的圖片。

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那個變換規則就是密鑰。假如使用的密鑰正確，完成變換之后再把解得的圖片調亮些，就會發現里面藏著一只小貓。

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如此一來，當小明把樹的照片發送給小紅，即便數據在傳輸過程中被外人截獲，對方也只能看樹。唯有掌握正確密鑰的小紅，才會知道小明想給自己看的其實是貓。這便是隱寫術（Steganography），用一些肉眼可見的信息，為真正要傳遞的信息打掩護。

在從前的戰爭中，人們常常要用密碼本把密鑰送去前線，來保障加密通信的進行。但是，在非對稱加密（用公鑰加密、用私鑰解密）的技術還沒出現的年代，一旦密碼本被敵方拿到，通信內容可能就不再安全了。

那么，假如利用 " 隱寫術 " 的思路，把密碼本里的密鑰藏在無用的信息背后，對手就很難從中找出真正的密鑰了吧？最近，德克薩斯大學奧斯汀分校的一群科學家，給遠在馬薩諸塞大學洛威爾分校的詹姆斯 · 魯瑟（James Reuther）教授寫了封信：

親愛的魯瑟教授，

希望您在洛威爾收到信時一切安好！

我們的分子加密計劃進展順利。期待和您聊一聊！

祝好，

安斯林實驗室

簡短的信里，暗含著一份密鑰。假如你還在仔細閱讀這封信，請千萬不要放棄，因為這密鑰不在信的字句里，而在寫信用的墨水里 ……

神奇墨水是什么？

近年來，隨著科學家的想象力與日俱增，能夠用來存儲信息的載體越來越多。比如，在納米級的 DNA 分子中存進一本小說的內容，可能已經不算是令人驚奇的操作。畢竟，像人體這樣復雜而精密的機器，也是根據 DNA 編碼的信息組裝而來，它的存儲能力可想而知。

相比之下，一些非生物的聚合物還不能像 DNA 那樣高密度地存儲數據，常常只能存下幾個字節或是一個單詞，而且從中讀取信息也很不容易，不過研究者樂于接受挑戰。德克薩斯大學奧斯汀的化學教授艾瑞克 · 安斯林（Eric Anslyn）和小伙伴們，想試著把一份加密文件的密鑰，保存在序列可控的聚合物（sequence-defined polymers）里。

首先，科學家用計算機生成了一份長達 256 位的二進制密鑰，就是由 256 個 0 或 1 組成的一串數字——用來給一本小說的全文加密。這樣的密鑰有 2256≈1077 種可能的排列方式，用計算機暴力破解幾乎不可能。利用這串數字來給信息加密，安全系數很高，但前提是密鑰不被泄露出去。

那么，接下來就需要設計用來儲存密鑰的聚合物。研究者選用的聚合物是低聚氨基甲酸酯（oligourethane），一種很像塑料的材料。他們把 256 位的密鑰分成 8 份，儲存在 8 個不同的低聚物序列里面，那么每個序列要代表 32 位數字。

你或許覺得，那每個聚合物需要有 32 個單體吧。并不用，事實上一個聚合物序列只包含 10 個單體，且僅有中間的 8 個單體負責編碼密鑰。用 8 個單體表示出 32 位數字，要如何做到？

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別忘了，32 位數字是二進制中的 32 位，假如用兩種不同的單體分別表示 0 和 1，才需要 32 個單體。但科學家設計了 16 種不同的氨基甲酸酯單體，分別代表 0~9 和 A~F，這樣就能將二進制數轉換為十六進制的數：16 是 2 的四次方，十六進制中的 1 位數字可以代表二進制中的 4 位數字。如此一來，二進制中的 32 位數字便能寫入一個聚合物中間的 8 個單體里。

256 位的密鑰，寫在 8 種聚合物序列里。等到密鑰被分發出去，接收的一方還需要知道先讀哪個序列、后讀哪個序列，才能拿到正確的密鑰。對此研究者也有準備，每個聚合物序列里除了代表數字的 8 個單體，還有首尾兩個單體作為占位符。其中一個是解碼占位符，科學家為它做了同位素標記，好像 " 指紋 " 一樣，8 個序列中的標記各不相同，指示著讀取的順序。

加密完成之后，研究團隊把 8 種聚合物（各 500 納摩爾）都溶解在異丙醇里，又在溶液中混入了甘油和碳煙。這些物質共同構成一種特別的墨水，科學家把墨水灌進了圓珠筆。開頭提到的那封信，便是用這支筆，在普通的打印紙上寫成的。

圖片來源：原論文

而遠在 2000 公里之外，另一間實驗室里的詹姆斯 · 魯瑟教授和他的同事們，會在收到信件后，從中尋找隱藏的密鑰。

存進去容易，怎么讀出來？

讀取聚合物里編碼的信息，大概是分子存儲當中最難的一步。

寫信的墨水里面，一共有 8 個聚合物序列需要讀取。通常來說，使用串聯質譜（MS/MS）方法的時候，研究者要單獨分析每一種聚合物，以免譜圖變得太過復雜。假如能夠在一份混合物當中，同時分析 8 種低聚物的序列就好了。

科學家想到一種新的方案，就是把組成聚合物的單體一個個 " 砍下來 "，或者叫解聚合。從墨水中提取出藏著密鑰的 8 種聚合物之后，利用熱誘導的環化反應，每次可以從聚合物的末端去除一個單體。這樣，那 8 種被逐步拆掉單體的聚合物，就能利用液相色譜 - 質譜聯用（LC/MS）技術來實現同時測序，不再需要分開檢測。

末端的單體被砍掉（圖片來源：原論文）

研究者就讓這些大分子在 70 ℃的環境下慢慢解體。而儀器要在指定的時間點進行采樣，看聚合物們被拆到哪步了。一開始，儀器只能檢測到 8 種聚合物，那就是初始版本。等到 550 分鐘過后，聚合物幾乎都變成了一個一個的單體。

從第 0 分鐘開始，到第 550 分鐘基本上已經拆解完成（圖片來源：原論文）

密鑰一共用了 8 個聚合物序列，每個序列最初有 10 個單體。當聚合物被砍下一個單體，剩余部分的質量就會減少。當聚合物的長度從 10 個單體變成 9 個單體、8 個單體，最終只剩 1 個單體，科學家在此過程中一共會獲得 80 個不同的質量。

80 個質量數據（圖片來源：原論文）

依靠這 80 個質量數據，加上研究者識別出的 8 個同位素標簽（用來指示讀取順序），研究者終于讀出了聚合物中藏著的那串數字。只不過，它還是十六進制的版本，再轉換成二進制就是 256 位的密鑰了。

假如你還記得，在德克薩斯州的實驗室里，研究團隊用這密鑰加密了一份文件。而當馬薩諸塞州的科學家用密鑰解開文件，發現那是《綠野仙蹤》小說的全文。

或許在研究者心里，這場傳遞 " 密碼本 " 的諜戰游戲，像小說的情節一樣曲折。而結局也讓他們十分興奮。這項研究的主要作者之一，艾瑞克 · 安斯林教授說，還是第一次在這種類型的聚合物（即序列可控聚合物，SDP）里儲存如此多的信息，這標志著分子數據存儲和密碼學領域的革命性的進步。

畢竟，存儲能力超強的 DNA 也只有 4 種不同的堿基（A、T、C、G），而科學家這次用了 16 個不同的單體來編碼信息，代表序列可控聚合物的存儲潛力還很大。