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基于DNA技术的对称加密方法

摘要DNA密码是伴随DNA计算的研究而出现的密码学前沿领域。文中结合现代基因工程技

术和密码学技术设计了一个对称加密系统—DNASC。在DNASC中，加密钥和解密钥是DNA探

针，密文是特殊设计的DNA芯片。系统的安全性主要基于生物学困难问题而不是传统的计算

问题，因而对未来的量子计算机的攻击免疫。加密过程是制作特殊设计的DNA芯片(微阵列)，

解密过程是进行芯片杂交。在DNASC中，数以万亿计的DNA探针被方便地同时进行杂交并识

别出来，从一定程度上体现了DNA在超大规模并行计算和超高容量数据存储方面的巨大潜

力。

关键词对称加密DNA密码DNA计算

近几年来，DNA所固有的超大规模并行性、超低的能量消耗和超高密度的存储容量被

开发出来用于计算、数据储存以及密码学等领域。DNA密码就是在这样的背景下诞生的。类

似于量子密码，DNA密码是传统密码系统的潜在替代与补充，但二者在实现技术上大不相同。

DNA密码系统的安全性不依赖于计算困难问题，因此不管未来的DNA计算机和量子计算机的

计算能力有多么强大，DNA密码对这些计算机的攻击都是免疫的。并且，同量子密码相比，

DNA密码更适用于安全的数据存储。

新生的DNA密码在理论和实现上都远未成熟，有效的DNA密码系统鲜见。这主要是因

为下述原因:首先，当前的DNA技术主要处于试验阶段，缺乏可用于DNA密码中的成熟理论。

其次，DNA密码涉及交叉学科，相关研究需要密码学家和生物学家的通力合作，而这两个领

域在以往的研究中关联很少。另外，相关的核心技术如(PCR)技术和DNA芯片技术以及自动

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测序技术都是近年来才走向成熟。密码学家要完全理解这些技术，需要一定的时间。

文中提出如下几点:首先，阻碍生物学发展的生物学困难问题在密码学中会有不同的用

途，有可能用来构建新型的密码系统。本文提出了一个生物学困难问题，并根据当前的生物

技术发展水平，对这个困难问题的难度进行了探讨。基于这个困难问题，提出了一个非确定

性的对称加密系统—DNASC。DNASC的安全性主要依赖于文中提出的生物学困难问题，对于

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量子计算机等超级计算机的攻击是免疫的。其次，DNASC的加密是非确定性的，在一定程

度上类似于一次一密，其随机化的过程是基于DNA计算的超大规模并行性。虽然DNA计算具

有超大规模并行计算的潜力，但是在实际应用中很难得到体现。在DNASC的解密过程中，数

以万亿计的DNA探针被方便地同时进行杂交并识别出来，在一定程度上体现了DNA在并行计

算和超大规模数据存储方面的巨大潜力。第三，已有的DNA密码系统多需要利用核苷酸直接

编码，因而难以实现。本文中利用DNA芯片(微阵列)技术，提出了新的数据存储技术、新的

编码技术以及新的数据读取技术，因此，在加密阶段不再需要合成DNA序列，在解密阶段也

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不再需要对DNA序列进行测序，这使得DNASC更容易实现。本文的目的并不是要提出一

个马上就可以替代DES等加密系统的实用密码系统，而是展示DNA在密码学的应用中有巨大

的发展潜力。未来，DNA密码有可能发展成为密码学的重要组成部分。

1生物学困难问题

传统密码学基于NP问题之类的各种数学困难问题。量子密码基于测不准定理，测不准

定理也可以认为是量子状态测定的困难问题。所以，DNA密码应该基于生物学困难问题。然

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而，现代生物学主要还是基于实验的，并不像数学那样有大量精确的公式和完善的定理。

虽然在研究中发现了众多的生物学困难问题，并且其中很多问题可能比密码学中常用的大整

数分解问题等还要难以解决，但是，大多数生物学困难问题并不适用于实现密码系统，而且，

要找到一个适合于构建密码系统的生物学困难问题并