Kuantum Anahtar Dağıtımı: Foton Klonlanamazlığı Üzerinden Gizli Dinlemeyi Tespit

Kuantum Kriptografinin Temel Amacı

Kuantum kriptografi, kriptografik görevleri gerçekleştirmek için kuantum mekaniği özelliklerinden yararlanma bilidir. Bu bilimin en iyi bilinen örneği, anahtar değişimi sorununa bilgi teorik açıdan güvenli bir çözüm sunan “kuantum anahtar dağıtımı”dır. Kuantum kriptografinin avantajı, yalnızka klasik (yani kuantum olmayan) iletişim kullanılarak imkansız olduğu kanıtlanan veya varsayılan çeşitli kriptografik görevlerin tamamlanmasına izin vermesidir.

Anahtar İletiminin Güvenilirlik Sorunu

Kriptolojinin en önemli inceleme konusu anahtar iletimi ve anahtar iletiminde kullanılan protokollerdir. Günümüzde kullanılan birçok şifreleme algoritması herkes tarafından bilinmektedir. Örneğin AES ve DES gibi simetrik şifreleme algoritmaları ile şifrelenmiş metinler ters yönde çalışan fonksiyonlarla birbirine bağlı ve paralel çalışan on binlerce bilgisayarla çözübilmesi teknik olarak mümkündür. Bu algoritmaların temel hedefi şifreli metni çözmeyi geciktirmek ve dolayısıyla değersiz hale getirmektedir. Görüldüğü üzere şifreleme algoritması ne kadar karışık olursa olsun, şifrelemede kullanılan anahtar ele geçirildiği zaman şifrenin hiçbir önemi kalmamaktadır.

Anahtar iletimi ile ilgili son zamanlarda çok sayıda algoritma geliştirilmiştir. Ancak bu algoritmalar %100 güvenli değildir. %100 güvenlikten kasıt, alıcı ve verici arasına giren bir kişinin kendisini fark ettirmeden anahtarı tamamıyla elde etmesinin önüne geçilmesidir. Kuantum kriptografi ise %100 güvenliği şimdilik sağlamaktadır. Yani alıcı ve verici arasındaki anahtar değişim kuralını güvenli hale getirir.

Fiziksel Dayanak: Klonlama Yok Teoremi

Kuantum kriptografi tekniği temel bir fizik kanunu olan Heisenberg’ün belirsizlik ilkesine dayanmaktadır. Bu ilkeye göre kuantum mekaniğinin temel ögesi olan bir fotonun aynı anda iki özelliği bilinemez. Bu da iletişim kanalındaki bir fotonun klonlanmasını (kopyalanmasını) imkânsız hale getirmektedir. Kısacası günümüz teknolojisinde fiber optik ağ üzerindeki bir fotonun yeni bir kopyası çıkarılamaz. İşte kuantum kripto tekniği fotonun bu özelliğinden faydalanarak güvenli bir anahtar iletimi sağlar.

Bu ilkenin pratik sonucu şudur: Bir kuantum durumu içinde kodlanmış kopyalanması imkansız veridir. Eğer biri kodlanmış veriyi okumaya çalışırsa, kuantum durumu dalga fonksiyonu çökmesi nedeniyle değişecektir (klonlama yok teoremi). Bu durum, kuantum anahtar dağıtımında (QKD) gizli dinlemeyi tespit etmek için kullanılabilir.

Kuantum Mekaniğinin Doğası

Kuantum kriptografinin arkasında yatan fiziksel temelleri anlamak için kuantum mekaniğine bakmak gerekir. Kuantum mekaniği, teorik fiziğin temel dallarından olup, atom ve atom altı seviyelerde klasik mekanik ve klasik elektromanyetizmanın yerini almıştır. Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara madde, dalga teorisi, kuantum alanları, olasılık teorisi, kaos teorisi gibi kavram ve teoriler bu alanda geliştirilmiştir.

Kuantum alanında “şey”ler birbirini sürekli etkilemektedir. İki dalga-parçacık “birleşebilir”: Her birinin değişkenleri (enerji, hız, konum vb), aynı anda denklemin içinde tekleşir. İki dalga-parçacık tek dalga-parçacık halini alır. Bu durumda bu iki dalga-parçacığın “kuantum uyumu” hâlinde oldukları söylenir.

Foton Telepatisi Deneyi

İsviçre’de yapılan bir deney sırasında, aralarında 10 km uzaklık olan iki fotonun, sonucu önceden bilinemeyecek olan bir durumda, tıpatıp aynı şekilde davrandıkları görüldü. Adeta bir foton telepatisi söz konusuydu. Deney Cenevre’de ve ondan sırasıyla 7,3 km ve 4,5 km uzaklıktaki Bernex ve Bellevue kentleri arasında yapıldı.

Bir lazerden çıkan bir foton Bir KnbO3 kristalinden geçerken daha az enerjili iki fotona ayrılır. Her foton bir optik lif içine girer ve yolu üstünde yarı yansıtıcı bir aynaya rastlar. Ayna tamamen rastlantıya bağlı olarak, fotonu bazen yansıtır, bazen geçirir. Aynayı geçen foton bir detektöre çarpar. Deney şunu göstermiştir: Aralarında 10 km’den fazla bir uzaklık bulunan bu iki foton, her an birbirlerinin tıpatıp aynı davranışları gösterirler; şöyle ki fotonlardan biri aynadan geçmişse, öteki de geçer.

Bu deney, birbirlerinden uzak olan iki fotonun, bir “iletişim hâlinde” olduklarını göstermek amacıyla yapılmıştır. İsviçreli fizikçiler kesin olarak şu gözlemi yapmışlardır: Aralarında 10 km uzaklık olan iki foton, ayna karşısında her seferinde birbirleriyle aynı davranış göstermişlerdir.

Kuantum Bilgisayarlarla İlişki

Kuantum şifreleme ile ilgisinin ne düzeyde olduğunun altını çizmek için kuantum bilgisayarlara değinmek yerinde olacaktır. Yirmi birinci yüzyılın rüyası, kuantum bilgisayarlardır. Kuramsal olarak bunların hesaplama güçleri ve hızları, sıradan bilgisayarlardan onlarca kat fazladır. Yalnızca 300 işlem birimli bir kuantum bilgisayarın, 2300 işlemi, yani tüm Evren’deki toplam parçacık sayısı kadar işlemi, birkaç saniyede yapabileceği hesaplanıyor.

Bu alanda yapılan çalışmalar hâlâ mikroskobik dünya ile tanıdığımız büyük ölçekteki dünyanın sınırlarındaki gri bölgede dolaşıyorlar. Kuram, hâlâ deneyin çok önünde koşuyor. Kuantum bilgisayarlar için harıl harıl algoritma üretiliyor. Buna karşılık laboratuvarlarda geliştirilen prototipler son derece ilkeldir.

Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.