Kuantum ve Bilişim(2/3)-Kuantum İletişim Nedir?

Çevirmen: Bilge Dal

Editör: Taha Berk Arslan

/* Üç yazıdan oluşan kuantum ve bilişim dizgesini okumaktasınız. İkinci yazı kuantum iletişim ve kuantum internet  üzerine. İyi okumalar!*/

Kuantum İletişim Nedir?

Araştırmacılar ve şirketler kuantum internetin temelini oluşturabilecek ultra-güvenlikli iletişim ağları oluşturmaya çalışıyor. İşte bu yazı da onun nasıl çalıştığını anlatıyor.


Gün geçmiyor ki yeni bir mega-hack haberi gelmesin. Genelde bu saldırılar çok sayıda hassas bilginin(bireylerin kredi kart detayları, sağlık bilgileri veya şirketlerin değerli fikri mülkiyetleri gibi) ortaya çıkarılması ile sonuçlanıyor. Siber atakların bu tehditi devletleri, askeri kurumları ve bilimum iş kurumlarını bilgi taşımanın daha güvenli yolunu aramaya zorluyor.

Günümüzde hassas veri, önce şifreleniyor, sonrasında fiber optik kablolar ve diğer kanallarla, verinin şifresini çözecek dijital ‘anahtar’ıyla birlikte karşı tarafa gönderiliyor.
Veri ve anahtarlar; klasik bitlerle, elektriksel ya da optik sinyallerle belirtilen 0 ve 1 dizileri, ile gönderiliyor. Bu da onları zayıf hale getiriyor. Bazıh ackerlar, iz bırakmadan bitleri okuyup kopyalayabiliyor.

Kuantum iletişim, veriyi korumak için kuantum fiziğinin yasalarınndan yararlanıyor. Bu yasalar, parçacıkları -bu örnek için optik kablolarda veri aktaran fotonları- süperpozisyon durumuna geçiriyor. Ve bu durumda da bu yeni oluşan parçacıklar aynı anda 1 ve 0’ın çeşitli kombinasyonlarını temsil edebiliyor. Bu parçacıklar kuantum bit, kübit adını alıyor.

Siber güvenlik açısından kübitlerin güzelliği şu: eğer bir hacker taşıma sırasında onları gözlemlemeye çalışırsa, süper kırılgan kuantum durumları bozulup, 1 ya da 0’a dönüşüyor. Yani bir hackerın veriye sızma denemesi arkasında bariz bir iz bırakıyor.

Bazı şirketler Kuantum Anahtar Dağıtımı(KAD) yöntemini kullanarak hassas veri taşımasını gerçekleştirmek için ağlar oluşturmaya başladılar bile. Teoride, bu ağlar ultra-güvenli.

Günümüzde hassas veri, önce şifreleniyor, sonrasında fiber optik kablolar ve diğer kanallarla, verinin şifresini çözecek dijital ‘anahtar’ıyla birlikte karşı tarafa gönderiliyor.

Kuantum Anahtar Dağıtımı Nedir?

Kuantum Anahtar Dağıtımı(KAD) sürecince, aktarılmak istenen şifreli veri ağ üzerinden klasik bitlerle gönderilirken. şifreli veriyi çözmek için kullanılacak anahtarlar kübit kullanılarak kuantum durumlarda aktarılıyor.

KAD’ı var olan sistemlere uygulamak için çeşitli yaklaşımlar veya protokoller geliştirildi. Sık kullanılanlardan biri olan BB84 şöyle çalışıyor:
İki insan düşünün, Alice ve Bob. Alice, Bob’a güvenli bir şekilde veri göndermek istiyor. Bunu yapmak için, polarizasyon durumları anahtarın spesifik bit değerlerini belirten kübitler formunda bir şifreleme anahtarı oluşturuyor.

Bu kübitler Bob’a fiber optik kablo ile gönderilebilir. Key Sifting(Anahtar Eleme) adlı bir işlem ile Alice ve Bob aynı anahtara sahip olup olmadıklarını kontrol edebilir.

Kübitler hedefe ulaşırken, tutarlılık kaybı sebebiyle bazılarının kırılgan kuantum durumları yok olabilir. Bunun takibini yapabilmek için, Alice ve Bob, ‘anahtar distilasyonu’ denilen bir işlemle hata oranını hesaplayıp, kuantum durumun yalnızca coherence(tutarlılık kaybı) sebebiyle mi yoksa dışarıdan yapılan bir hackerın anahtar alma denemesi yüzünden mi gerçekleşmiş olabileceğini değerlendiriyorlar.

Eğer hackerdan şüphelenirlerse, ‘zanlı’ anahtarı kullanmayıp, güvenli olduğuna emin olana dek anahtar paylaşmaya devam ediyorlar. Sonrasında Alice kendi anahtarını kullanıp klasik bitlerle Bob’a gönderiyor. Bob da kendininkini açmak için kullanıyor.

Çevremizde çoktan daha fazla KAD ağlarının kullanılmaya başladığını görebiliyoruz. 2032 kilometre uzunluğunda, Çin’de, Beijing ve Şangay arasında bulunan KAD ağı, bankalar ve diğer finansal şirketlerce kullanılmakta olup şu ana kadar oluşturulmuş en uzun KAD ağı. Amerika’da oluşmuş bir startup olan Quantum Xchange, 805 kilometre uzunluğunda fiber optik kablo kullanarak Doğu yakasında KAD ağı oluşturmak için için önemli bir anlaşma gerçekleştirdi. Bu uzantı, çoğu bankanın büyük veri merkezlerinin bulunduğu Manhattan-New Jersey hattında olacak.

KAD çok güvenli de olsa, kuantum repeaterlarla çok daha güvenli olabilir.

Kuantum Tekrarlayıcısı(Repeaterı) Nedir?

Kablolardaki materyallerin bazıları fotonları absorbe edebilir. Yani genellikle onlarca kilometreden fazla mesafede yolculuk yapamazlar. Klasik bir ağ bağlantısında da, gelen sinyali güçlendirmek için repeaterlar kullanılır.

Kuantum Anahtar Dağılımlı Ağlar, çeşitli yerlere ‘güvenilir nodlar(noktalar)’ oluşturup normal ağ sisteminin çözümüne benzer bir çözüm yoluna gittiler. Mesela Beijing-Şangay arasındaki ağ sisteminde 32 tane güvenilir nod bulunuyor. Bu yol üstü noktalarda, kuantum anahtarlar bitlere bölünüp şifreleniyor ve sonrasında da sıfırdan yeni bir kuantum durumuna şifreleniyorlar. Ama bu güvenilir nodlara aslında tam olarak güvenemeyeceğimiz anlamına da geliyor bir yandan. Nodların güvenliğini aşmış bir hacker fark edilmeden bitleri kopyalayabilir ve bu sayede anahtarlardan birini ele geçirebilir, tıpkı bu nodları işleten bir firma ya da bir devlet gibi.

İdeal olarak kuantum repeaterlara ya da kuantum işlemcili yol üstü noktalara; şifreleme anahtarlarını kuantum durumlarındayken daha uzun mesafelerde taşıyabilmek için ihtiyacımız var. Araştırmacılar, teoride bu repeaterların yapılabileceğini gösterdiler fakat bugüne kadar çalışabilen bir prototip oluşturamadılar.

KAD ile ilgili ufak bir problem daha var. Asıl veri hala eski ağlarda şifreli bitler halinde taşınıyor. Yani bir hacker, şifreli bitleri fark edilmeden toplayıp, güçlü bir bilgisayarda anahtarı kırmayı deneyebilir.

Şifreleme algoritmaları gayet güçlü ama araştırmacılar bu hackerların verileri ele geçirme riskinin yeterince büyük olduğunu düşünüyor. Bu sebeple kuantum ışınlanması adlı farklı bir yaklaşım üzerine çalışan araştırma grupları da günümüzde oluşmuş bulunmakta.

Kuantum Işınlanması Nedir?

Bu birazcık bilim kurgu gibi duyuluyor olabilir fakat veriyi kuantum formunda ‘bütünüyle’ taşımak için kullanılan gerçek bir metod. Bu yaklaşım, dolanıklık olarak bilinen kuantum fenomenine dayanıyor.Kuantum ışınlanması, dolanık foton çifleri oluşturup, her çiftin birini veriyi gönderen tarafa, diğerini de veriyi alan tarafa göndererek çalışıyor.

Alice dolanık fotonunu aldığı zaman onun, Bob’a göndereceği verisini bulunduran kendi ‘hafıza kübitiyle’ etkileşmesine izin veriyor. Bu işlem Alice’in fotonunun durumunu değiştiriyor ve o da Bob’unkiyle dolaşık olduğu için Bob’un fotonunun durumunu da sürekli değiştiriyor.

Sonuç olarak, Alice’in hafıza kübitindeki veri, Alice’in fotonundan Bob’unkine aktarılıyor.

ABD, Çin ve Avrupa’daki araştırmacılar, dolanık fotonları dağıtabilme yetisine sahipm ışınlanma ağları oluşturmak için birbirleri arasında kuvvetli bir yarış içindeler. Ama bunu gerçekleştirmek, onlar için bayağı zorlayıcı bir bilim ve mühendislik gerektiriyor. Ama bu zorluklar yine de araştırmacıları durdurmuyor.

Kuantum İnternet Nedir?

Tıpkı geleneksel internet gibi, dünyaya yayılan ağların ağıdır denilebilir. Tek farkı ise kuantum internetin altında yatan iletişim, kuantum temelli.

Günümüz internetinin yerini almayacak elbet. Kedi fotoğrafları, müzik videoları ve hassas içerik taşımayan birçok iş verisi klasik bitlerle taşınmaya devam edecek. Kuantum internet ise değerli, gizli tutulması gereken veriler için uygulamaya geçirilecek. Hesaplama bulutu üzerinden günümüzde bile kullanıma açık olan kuantum bilgisayarların birbiri arasında da bilgi akışı sağlamak için en ideal yol kuantum internet olacak gibi gözükmekte.

Kuantum internetin kullanılmasını isteyen ve bunun diğer ülkeler tarafından da ilgilenilmesi gerektiğini belirten Çin, şu an bu çalışmaların öncüsü. Birkaç yıl önce yalnızca kuantum iletişim için Micius adlı bir uydu gönderdi. 2017’de ise bu Micius adlı uydu, Beijing ve Viyana arasında, ilk kıtalar arası, kuantum anahtar dağıtımlı video konferansın gerçekleştirilmesinde kullanıldı. Yerel bir istasyon bu uyduyu çoktan Beijing-Şangay arasındaki karasal hatta bağladı. Çin birkaç uydu daha göndermeyi planlamakta. Hatta bazı Çin şehirleri kendi belediyesi içinde kuantum anahtar değişimli ağlar kullanma planlamakta.

Bazı araştırmacılar tamamen kuantum bir internetin de tamamen kuantum saldırılara karşı zafiyet gösterebileceğine dair uyarsalar da günümüzde yapılan saldırıların yoğunluğu göze alındığında, ordu, devletler, iş kurumları hala daha güvenli kuantum bir sistemin var olma olasılığının verdiği boşuna umut ile araştırmaya devam ediyor.

Kaynak:

Giles, Martin, and Martin Giles. “Explainer: What is quantum communication?” MIT Technology Review. MIT Technology Review, 13 July 2019. Web. 14 July 2019.

You may also like...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir