Ральф Меркл: ученый в области криптографии, крионики и молекулярной инженерии

13.11.2023

Многие разработчики слышали про дерево Меркла (бинарное хеш-дерево), где в каждой вершине вычисляется хеш от суммы значений из дочерних вершин, а корневой узел — хеш от всего набора данных. На этом принципе основаны блокчейны криптовалют и другие криптографические конструкции.

Но мало кто знает автора этой идеи и одного из родоначальников современной криптографии — американца швейцарского происхождения Ральфа Меркла. А ведь это очень неординарная личность с разносторонними интересами, как и его жена.

▍ Изобретение криптографии с открытым ключом

В 2010 году Ральф Меркл получил медаль Ричарда Хэмминга, которую присуждает IEEE за исключительный вклад в науку об информации, информационные системы и технологии (совместно с Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом) с формулировкой «За изобретение криптографии с открытым ключом и её применения для обеспечения связи».

Именно Меркл первым придумал математический безопасный обмен криптографическими ключами по открытому каналу. Его статья с описанием протокола была получена журналом Communications of the ACM в августе 1975 года. Но редакторка журнала не придала значения статье, а «опытный эксперт по криптографии» выдал заключение, что она не подходит для публикации, потому что «не соответствует текущим тенденциям в криптографическом мышлении».

Письмо от эксперта:

Официальный отказ от редакции ACM:

Естественно, по правилам научных рецензий (peer-review) имя эксперта тогда не разглашалось и до сих пор неизвестно.

Статью опубликовали только в апреле 1978-го. Однако в ноябре 1976-го уже вышла статья с описанием аналогичной идеи от Диффи и Хеллмана в журнале IEEE Transactions on Information Theory., поэтому сейчас фундаментальный криптографический протокол для PKI называется в их честь: протокол Диффи — Хеллмана.

Статья Меркла — самая ранняя из общеизвестных научных работ, где предложена идея секретного закрытого ключа и соответствующего ему открытого ключа, который передаётся по открытому каналу. Идея пары связанных ключей, сейчас известная каждому школьнику — это основа современной асимметричной криптографии (PKI) и систем шифрования.

Как обычно, новые идеи с трудом пробивают себе путь в науке. К счастью, время всё расставило всё по своим местам. В конце концов награда нашла своего героя, так что сейчас Меркл признан как соавтор PKI, наряду с Диффи и Хеллманом.

▍ «Кинематика самовоспроизводящихся машин»

После десяти лет учёбы в университетах (1970−1979) Ральф Меркл начал карьеру на довольно банальной должности менеджера по разработке компилятора в компании Elxsi, затем перешёл на более интересную работу исследователя в Xerox PARC (1988−1999), «теоретика нанотехнологий» в Zyvex (1999−2003) и профессора университета Джорджии. В последние десятилетия он выступает с лекциями, интересуется постквантовой криптографией. Среди хобби Меркла также патентование различных изобретений (у него 18 патентов, в том числе патент на применение хеш-дерева для цифровой подписи сообщений).

Судя по списку научных работ, криптография стояла далеко не на первом месте в списке интересов Ральфа Меркла. Окончив аспирантуру в Беркли (1977) и получив докторскую степень в Стенфорде по электротехнике (1979, диссертация по асимметричной криптографии), он как будто вообще больше не возвращался к криптографии, а гораздо больше времени уделял работам по молекулярной инженерии и самовоспроизводящимся машинам. Ральф Меркл — автор фундаментального труда «Кинематика самовоспроизводящихся машин».

Самовоспроизводящиеся машины будущего можно сравнить с существующими живыми организмами и искусственными конструкциями.

Сложность самовоспроизводящихся систем (бит), источник

Универсальный конструктор фон Неймана	~500 000
Интернет-червь (Роберт Моррис, 1988)	~500 000
Mycoplasma genitalium	1 160 140
E. Coli	9 278 442
Сборщик (ассемблер) Дрекслера	~100 000 000
Человек	~6 400 000 000
Лунный производственный комплекс НАСА	более 100 000 000 000

В октябре 1989 года журнал Cryonics опубликовал статью Меркла «Молекулярное восстановление мозга», которая вызвала значительный резонанс. (см. дополненную версию статьи от 1994 года, написанную после научной критики 1991 года).

Автор привёл ряд логических и математических доводов, чтобы доказать реальность восстановления когнитивных функций после их остановки: «Очевидно, что если бы мы знали координаты каждого атома в мозге человека, то (по крайней мере, в принципе) могли бы с абсолютной точностью определить, были ли его воспоминания и личность уничтожены в информационно-теоретическом смысле, или же воспоминания и личность сохранились, но по каким-то причинам не могут быть выражены. Если такое окончательное разрушение произошло, то надежды мало. Если же такого разрушения не произошло, то в принципе достаточно развитая технология могла бы вернуть человека в полностью функциональное и здоровое состояние с сохранением его памяти и личности». Меркл выводит информационно-теоретический подход к смерти с описанием социального назначения «смерти» индивидуума, которая по сути является субъективным решением этого индивидуума и коллектива. То есть это не столько изменение физического состояния человека, сколько изменение его статуса в обществе (со статуса «живой» на «мёртвый»).

Для восстановления функциональности мозга нужно аккуратно восстановить все его молекулы. Это примерно 1350 см³ вещества весом около 1400 гр, примерно 80% вода по весу, чуть больше 100 г белка, около 175 гр жиров и 30−40 гр других веществ.

Меркл выполнил расчёты и получил, что нам требуется сохранить или восстановить примерно 1,2×10²¹ молекул белка и 2×10²³ молекул жиров. В то же время значительный процент молекул воды в мозге можно заменить на молекулы глицерина во время консервации.

После разморозки в действие вступают молекулярные роботы для восстановления повреждённых молекул мозга. В будущем при достаточно развитой молекулярной инженерии можно не просто восстанавливать повреждённые молекулы, а собирать их с нуля из атомов. В таком случае можно будет собрать точную копию мозга по образцу, включая всю память, выученные шаблоны поведения на момент копирования и т. д.

▍ Другие интересы. Крионика

Ральф Меркл — пример «универсального гения», который проявляет себя в разных, абсолютно не связанных друг с другом областях. Достаточно посмотреть тематику статей в научных журналах (81 шт.): это не только криптография и информатика, но и нанотехнологии, молекулярные роботы, химия, механосинтез алмазов (несколько статей), крионика, биотехнологии, космонавтика. Конечно, выделяется несколько ключевых областей, таких как криптография и молекулярные нанотехнологии, но есть и много другого.

Такой генерализм (универсализм) не слишком поощряется в современной IT-индустрии, где высоко оплачиваются скорее специалисты узкого профиля с глубокой специализацией, винтики в машине. Специалист с широким образованием и кругом интересов не слишком вписывается в отлаженный механизм корпоративных машин по разработке ПО. Это уникальные кадры.

Кто-то может сказать: вот, человек лезет в области, в которых не является специалистом. Но даже по нашей рубрике видно, что многие выдающиеся программисты, да и вообще близкие к гениальности личности отличаются именно этим — их интересует всё вокруг, а не только своя профессиональная сфера.

Например, Меркл уже более 30 лет входит в совет директоров организации Alcor Life Extension Foundation, которая изучает крионику и её возможности по продлению жизни. На данный момент фирма считает себя мировым лидером в крионике.

Пару слов о личной жизни.

С 1983 года Ральф женат на геймдизайнерше Кэрол Шоу. Она известна как автор сверхпопулярного скрол-шутера River Raid (1982, на скриншоте справа), который может быть знаком хабражителям старшего поколения. Игра изначально написана для Atari 2600, но вскоре была портирована на разные компьютерные платформы 80-х, включая многочисленные игровые приставки и IBM PC.

Кэрол Шоу тоже подписалась на программу криоконсервации, так что теперь её жизни ничего не грозит.

Ещё один забавный факт: Меркл фигурирует в знаменитом романе Нила Стивенсона «Алмазный век». Там он — легенда молекулярной инженерии, один из фундаментальных теоретиков главнейшей науки человечества. В его честь назван Меркл-холл — огромное готическое здание в конструкторском отделе «Машин-фаз системс лимитед», куда пришёл на работу главный герой, инженер Хакворт:

Его высокие своды украшала роспись краской по штукатурке… Центральную композицию фрески составляли кибернетические ангелочки; каждый нёс сферический атом к некой радиально симметричной конструкции из нескольких сотен атомов — судя по форме, художника вдохновил то ли подшипник, то ли электродвигатель… По углам фрески теснились фигуры; в левом верхнем возлежали на мистическом бакиболе Фейнман, Дрекслер (автор «Машин создания» и «Наносистем» — прим. пер.) и Меркл, Чэн, Сингх и Финкель-Макгроу; они или читали, или указывали на атомное строительство с видом, долженствующим изображать конструктивную критику… Слева маялись души прежних поколений, не доживших до светлых нанотехнологических дней и давших дуба (это не изображалось впрямую, но каким-то образом мрачно подразумевалось) от ужасов прошлого, как то: рака, цинги, взрывов парового отопления, железнодорожных крушений, уличных перестрелок, погромов, блицкригов, завалов в шахтах, этнических чисток, взрывов АЭС, беготни с ножницами, употребления в пищу бытовой химии и разъярённых быков.

Вероятно, молекулярная инженерия радикально изменит жизнь людей и принципы существования человеческой цивилизации: от медицины до космических путешествий. Конечно, это случится ещё нескоро: через сотни или тысячи лет. Вот тогда настанет лучший момент, чтобы разморозить самого Ральфа Меркла и его жену из его криогенной камеры Alcor Life Extension.

Выдающиеся программисты 21 века. Предыдущие статьи серии