利用相对论保障数据传输安全

当一个人（即所谓的“证明者”）想要确认其身份时，例如在自动取款机上取钱，他们必须向验证者（在我们的例子中是银行）提供个人数据，然后银行处理这些信息（例如身份证号码和密码）。只要只有证明者和验证者知道这些数据，机密性就能得到保证。如果其他人获取了这些信息，例如通过入侵银行的服务器，安全性就会受到损害。

零知识证明作为解决方案

为了解决这个问题，理想情况下，证明者应该能够在不透露任何个人数据信息的情况下确认其身份。但这可能吗？令人惊讶的是，答案是肯定的，这可以通过零知识证明的概念实现。“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，他们会信服，但这样他们就能访问所有信息，并且可以轻易地重现证明，”日内瓦大学理学院应用物理系教授尼古拉·布伦纳解释说。“相反，使用零知识证明，我能够让他们相信我知道这个证明，同时不透露任何关于证明本身的信息，从而防止任何可能的数据恢复。”

零知识证明的原理发明于20世纪80年代中期，近年来已付诸实践，尤其是在加密货币领域。然而，这些实现存在一个弱点，因为它们基于一个数学假设（即特定的编码函数难以解码）。如果这个假设被证伪——这在今天无法排除——安全性就会受到损害，因为数据将变得可访问。如今，日内瓦团队在实践中展示了一个截然不同的系统：相对论零知识证明。这里的安全性基于一个物理概念，即相对论原理，而非数学假设。相对论原理——信息不能超过光速传播——是现代物理学的基石，几乎不可能被颠覆。因此，日内瓦研究人员的协议提供了完美的安全性，并能长期得到保证。

基于三着色问题的双重验证

实施相对论零知识证明需要两个距离遥远的验证者/证明者对以及一个具有挑战性的数学问题。“我们使用一个三着色问题。这类问题由一个由一组节点（节点之间可能有链接也可能没有）构成的图组成，”日内瓦大学理学院应用物理系教授雨果·兹宾登解释道。每个节点被赋予三种可能颜色（绿色、蓝色或红色）中的一种，并且两个相连的节点必须颜色不同。这些三着色问题，此处设有5000个节点和10000条链接，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者/证明者呢？

“为了确认身份，证明者将不再需要提供密码，而是要向验证者证明他们知道如何对某个特定图进行三着色，”尼古拉·布伦纳继续说道。为了确保证明，验证者会随机选择图上由链接连接的大量节点对，然后分别询问他们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，证明者在测试期间无法相互通信，因此无法作弊。这样，如果宣布的两种颜色总是不同，验证者就确信了证明者的身份，因为他们确实知道这个图的一种三着色方案。“这就像警察在分开的办公室里同时审讯两名罪犯：目的是检查他们的答案是否一致，同时不允许他们相互交流，”雨果·兹宾登说。在这种情况下，问题几乎是同时提出的，因此证明者无法相互沟通，因为这种信息的传递速度必须超过光速，而这当然是不可能的。最后，为了防止验证者重现这个图，两个证明者以相关的方式不断改变颜色编码：原来的绿色变成蓝色，蓝色变成红色，等等。“通过这种方式，证明得以完成和验证，且不透露任何相关信息，”这位日内瓦的物理学家说。

一个可靠且超快的系统

在实践中，这种验证进行了超过三百万次，而整个过程不到三秒钟。“这个想法是为每个人或客户分配一个图，”尼古拉·布伦纳继续说道。在日内瓦研究人员的实验中，两个证明者/验证者对相隔60米，以确保他们无法通信。“但这个系统已经可以投入使用，例如，在银行的两个分支机构之间，并且不需要复杂或昂贵的技术，”他说。然而，研究团队相信，在不久的将来，这个距离可以缩短到一米。每当需要进行数据传输时，这个相对论零知识证明系统就能保证数据处理过程的绝对安全，并且无法被黑客攻击。“在几秒钟内，我们就能保证绝对的机密性，”雨果·兹宾登总结道。