Алан Тьюринг и взлом «Энигмы» (1940)

Машина «Энигма»

Шифровальную машину «Энигма» изобрел немецкий инженер Артур Шербиус в конце Первой мировой войны. Внешне похожая на пишущую машинку, она содержала набор вращающихся дисков - роторов, - через которые проходил электрический сигнал от нажатой клавиши. После каждого нажатия роторы поворачивались, меняя схему соединений, так что одна и та же буква каждый раз шифровалась по-новому. Отражатель возвращал сигнал обратно через роторы, благодаря чему та же машина с теми же настройками могла и шифровать, и расшифровывать.

С конца 1920-х годов «Энигму» приняли на вооружение германский флот, армия, а затем и военно-воздушные силы. Военная модель была дополнена коммутационной панелью, менявшей пары букв перед роторами и после них. Ежедневные ключи - выбор и порядок роторов, их начальные положения, соединения на коммутационной панели - менялись каждые сутки. Число возможных настроек армейской машины исчислялось сотнями квинтиллионов, и германские специалисты были уверены, что взломать шифр невозможно.

Польский прорыв

Первыми «Энигму» взломали польские криптоаналитики. Польша, видевшая в Германии главную угрозу, в конце 1920-х годов набрала в Бюро шифров молодых математиков из Познанского университета. В декабре 1932 года Мариан Реевский, используя теорию перестановок и документы, полученные французской разведкой от сотрудника германского шифровального ведомства Ханса-Тило Шмидта и переданные полякам французским офицером Гюставом Бертраном, восстановил внутреннюю схему соединений роторов военной «Энигмы». Это было одно из выдающихся достижений в истории криптографии: впервые математические методы позволили вскрыть сложную машинную систему шифрования.

Вместе с коллегами Ежи Ружицким и Генриком Зыгальским Реевский разработал методы определения ежедневных ключей: циклометр, перфорированные «листы Зыгальского» и в 1938 году - электромеханическую машину, названную «криптологической бомбой». Несколько лет польская разведка регулярно читала германские военные сообщения. Однако в конце 1938 года германская сторона усложнила систему, увеличив число роторов и соединений, и польские ресурсы оказались недостаточными.

25-26 июля 1939 года, за пять недель до нападения Германии на Польшу, на секретной встрече в лесу Пыры под Варшавой поляки передали британским и французским криптоаналитикам копии «Энигмы» и подробно рассказали о своих методах. Британские участники, в том числе глава Правительственной школы кодов и шифров Аластер Деннистон и опытный криптоаналитик Дилли Нокс, были поражены. Польский вклад стал фундаментом всей последующей работы. После разгрома Польши Реевский, Ружицкий и Зыгальский бежали во Францию и продолжили работу, а позднее, после многих злоключений, двое из них добрались до Великобритании; Ружицкий погиб в 1942 году при кораблекрушении в Средиземном море.

Математик из Кембриджа

Алан Тьюринг родился в 1912 году в Лондоне. Он учился в Королевском колледже Кембриджского университета, а в 1936 году, в двадцать четыре года, опубликовал статью «О вычислимых числах», в которой описал абстрактную вычислительную машину - впоследствии названную машиной Тьюринга - и доказал, что существуют математические задачи, которые не может решить никакой алгоритм. Эта работа стала одним из оснований теоретической информатики. Затем он защитил диссертацию в Принстонском университете в США.

С 1938 года Тьюринг сотрудничал с Правительственной школой кодов и шифров, а 4 сентября 1939 года, на следующий день после вступления Великобритании во Вторую мировую войну, прибыл в Блетчли-парк - викторианскую усадьбу в городке Блетчли между Оксфордом и Кембриджем, куда переехали британские дешифровальщики.

«Бомба» Тьюринга

Польская «бомба» использовала особенность германской процедуры, которую немцы вскоре изменили. Тьюринг предложил новый принцип. Криптоаналитики часто могли угадать фрагмент открытого текста сообщения - так называемую «шпаргалку»: германские сообщения нередко начинались одинаковыми фразами, содержали сводки погоды, стандартные доклады вроде «никаких особых происшествий». Машина Тьюринга перебирала положения роторов и, используя логические противоречия, которые возникали при неверных предположениях, быстро отбрасывала невозможные варианты настроек, оставляя немногие, которые затем проверялись вручную.

Первая британская «бомба», построенная инженерами компании British Tabulating Machine под руководством Гарольда Кина, была установлена в Блетчли-парке 18 марта 1940 года. Математик Гордон Уэлчман предложил важное усовершенствование - «диагональную доску», резко повысившую эффективность машины. Первая «бомба» с этим устройством заработала в августе 1940 года. К концу войны в Великобритании действовали более двухсот таких машин, а в США была развернута собственная программа их производства.

Морская «Энигма»

Тьюринг возглавил отдел, известный как «Барак 8», занимавшийся шифрами германского флота - самыми сложными, поскольку морская «Энигма» использовала больше роторов и более изощренную систему указания ключей. Для их взлома Тьюринг разработал статистический метод, названный «банбуризмом», позволявший значительно сократить перебор, и ввел для измерения веса доказательств особую единицу, основанную на логарифмах вероятностей.

Решающую роль сыграли и захваты шифровальных материалов. В 1941 году британские корабли захватили на германских метеорологических судах и подводной лодке U-110 шифровальные таблицы и документы. С середины 1941 года британцы читали шифры германских подводных лодок, что позволяло отводить конвои от «волчьих стай» и резко сократило потери. Однако в феврале 1942 года германский подводный флот ввел четырехроторную машину, и почти на десять месяцев Блетчли-парк «ослеп». Лишь в декабре 1942 года, после того как с тонущей подводной лодки U-559 британские моряки, двое из которых погибли, достали шифровальные документы, чтение возобновилось. Это стало одним из факторов перелома в битве за Атлантику весной 1943 года.

Письмо Черчиллю

Работа в Блетчли-парке страдала от нехватки людей и оборудования. 21 октября 1941 года Тьюринг, Уэлчман и их коллеги Хью Александер и Стюарт Милнер-Барри, минуя начальство, направили письмо непосредственно премьер-министру Уинстону Черчиллю, описав, как нехватка персонала задерживает дешифровку. Черчилль наложил резолюцию «Действовать сегодня же» и потребовал немедленно обеспечить дешифровальщиков всем необходимым. Ресурсы были выделены.

Блетчли-парк

К концу войны в Блетчли-парке и его отделениях работали около девяти - десяти тысяч человек, примерно три четверти из которых составляли женщины: операторы «бомб», шифровальщицы, переводчицы, аналитики. Среди криптоаналитиков были математики, лингвисты, шахматисты, победители конкурсов по решению кроссвордов. Математик Джоан Кларк работала вместе с Тьюрингом в «Бараке 8» и была одной из немногих женщин-криптоаналитиков высокого уровня.

Полученные сведения под грифом «Ультра» передавались узкому кругу командующих под строжайшим контролем. Чтобы противник не заподозрил, что его шифры вскрыты, использование разведданных маскировалось: перед атакой на обнаруженный благодаря «Ультре» конвой, например, высылался самолет-разведчик, который «случайно» замечал цель. Германское командование так и не поверило, что «Энигма» взломана.

«Колосс»

Помимо «Энигмы», в Блетчли-парке вскрывали и более сложный телетайпный шифр «Лоренц», которым пользовалось высшее германское командование. Молодой математик Билл Татт по одним лишь перехваченным сообщениям восстановил логическую схему шифровальной машины, которую никто из британцев никогда не видел, а Тьюринг предложил один из методов работы с ней. Для ускорения дешифровки инженер почтового ведомства Томми Флауэрс построил «Колосс» - одну из первых в мире программируемых электронных вычислительных машин, работавшую на тысячах электронных ламп. Первый «Колосс» заработал в начале 1944 года, к концу войны их было десять. Сведения, полученные благодаря «Колоссу», помогли подготовке высадки в Нормандии. После войны большая часть машин была уничтожена, а их существование засекречено на десятилетия.

Значение «Ультры»

Разведданные «Ультры» использовались на всех театрах войны: в битве за Атлантику, в сражении у мыса Матапан в 1941 году, в Северной Африке, где они позволяли перехватывать конвои снабжения Роммеля, при подготовке высадки в Нормандии, когда британцы могли убедиться, что германское командование поверило в дезинформацию о месте высадки. Официальный историк британской разведки Гарри Хинсли считал, что работа дешифровальщиков сократила войну в Европе, возможно, на два года и более. Эта оценка остается предметом споров: другие историки полагают, что влияние «Ультры» было значительным, но не столь решающим, поскольку исход войны определялся прежде всего соотношением сил.

После войны

Существование «Ультры» оставалось государственной тайной почти тридцать лет. Лишь в 1974 году вышла книга бывшего офицера Фредерика Уинтерботэма «Секрет „Ультра"», впервые открыто рассказавшая о взломе «Энигмы». Роль польских криптоаналитиков была признана еще позже; Реевский, вернувшийся в коммунистическую Польшу, долгие годы работал скромным служащим, и о его заслугах мир узнал лишь в 1970-е годы.

После войны Тьюринг работал в Национальной физической лаборатории, где разработал проект одной из первых электронных вычислительных машин с хранимой программой, а затем в Манчестерском университете, где участвовал в создании ранних компьютеров. В 1950 году он опубликовал статью «Вычислительные машины и разум», в которой предложил проверку, известную как тест Тьюринга, - способ определить, может ли машина мыслить. Он также занимался математической биологией, изучая возникновение узоров в живой природе.

Преследование

В 1952 году Тьюринг был осужден за «грубую непристойность» - гомосексуальные отношения, которые тогда считались в Великобритании уголовным преступлением. Чтобы избежать тюрьмы, он согласился на принудительную гормональную «терапию». Он лишился допуска к секретной работе. 7 июня 1954 года Тьюринг был найден мертвым в своем доме; следствие признало смерть самоубийством от отравления цианидом, хотя некоторые исследователи допускают возможность несчастного случая. Ему был сорок один год.

Уголовное преследование и принудительное медицинское вмешательство, которым государство подвергло человека, внесшего огромный вклад в победу, были тяжелой несправедливостью. В 2009 году премьер-министр Гордон Браун от имени правительства принес официальные извинения за обращение с Тьюрингом, в 2013 году он был посмертно помилован королевой, а в 2017 году вступил в силу закон, посмертно помиловавший тысячи мужчин, осужденных по тем же статьям. В 2021 году портрет Тьюринга появился на банкноте Банка Англии в пятьдесят фунтов.

Итоги

Взлом «Энигмы», начатый польскими математиками во главе с Марианом Реевским в 1932 году и продолженный в Блетчли-парке с 1939 года, стал одним из величайших интеллектуальных достижений Второй мировой войны. Алан Тьюринг разработал принцип британской «бомбы», первая из которых заработала в марте 1940 года, и методы взлома морской «Энигмы», а его коллеги создали целую индустрию дешифровки с тысячами сотрудников. Разведданные «Ультры» помогли союзникам выиграть битву за Атлантику, успешно действовать в Средиземноморье и подготовить высадку в Нормандии. Работа над германскими шифрами привела к созданию «Колосса» - одной из первых электронных вычислительных машин - и повлияла на рождение информатики. Судьба Тьюринга, подвергнутого после войны уголовному преследованию за гомосексуальность, стала символом несправедливости, признанной британским государством лишь в XXI веке.