Çin'in Uydusu Kuantum Haberleşmede Bir İlke İmza Attı!

Dünya'nın ilk kuantum uydusu Micius’ı Gobi Çölünden uzaya fırlatan Çin bu kez 1200 kilometre uzaklıktan kuantum bağlantısı kurmayı başararak bir ilke imza attı.

Science dergisinde yayınlanan makaleye göre Çin Bilimler Akademisinden araştırmacılar, kuantum uydusunun dolaşık fotonları birbirine 1200 km uzaklıkta bulunan 3 farklı yer istasyonuna başarılı bir biçimde gönderdiğini ilan etti. Deneyin sonunda kuantum dolanıklık teorisi uygulanarak şimdiye kadar kurulan en uzak mesafeli iletişim gerçekleştirilmiş ve ilk kez uzay ile Dünya arasında dolaşık fotonlar aracılığıyla iletişim kurulabileceği gözlemlenmiş oldu. Çalışmada yer alan Çinli bilim insanlarından Jian-Wei Pan şöyle söylüyor:

Dünya çapında bir kuantum uzay yarışı başlattığımızı düşünüyorum.

Avusturya'nın da iş birliği içinde olduğu kuantum çalışmasının istasyonları Çin ve Viyana'da bulunmakta ve ayrıca tüm bilimsel çalışmaların yaklaşık 100 milyon dolara mal olduğu ifade edilmektedir.

Yerden 500 km yukarıdaki yörüngesinde dolanan, 600 kg ağırlığında ve her 90 dakikada dünyanın çevresinde bir tur atan uydu, dolanık fotonlar üreten özel bir kristale sahip. Uydu, kamuoyunda Çinli düşünür Micius'ın ismiyle bilinmesine karşın tam adı aslında Uzay Ölçeklerinde Kuantum Deneyleri (QUESS - Quantum Experiments at Space Scale) Uydusu.

Uydu Nasıl Çalışıyor?

Günümüzde karşı tarafa çok gizli bir veri iletmek için veriyi şifrelemeniz gerekmektedir. Alıcının gelen kriptolu veriyi okuyabilmesi için aynı zamanda bir anahtara ihtiyacı vardır. Yani verinin yanında anahtarı da alıcıya göndermelisiniz. Ancak, kullandığınız iletişim kanalının bir şekilde gizlice dinlenmesi veya anahtar iletiminin sekteye uğratılması durumunda üçüncü kişiler gönderdiğiniz mesajın kriptosunu kolaylıkla kırarak mesajı okuyabilir. Daha kötüsü, alıcıya mesaj ve anahtar iletilse dahi muhtemelen gizlice dinlendiğinizin farkında olamayacak ve mesajınızın güvende olduğundan emin olamayacaksınız.

Einstein'ın "uzaktan hayaletimsi etki" (İng: "spooky action at a distance") şeklinde tanımladığı kuantum dolanıklık teorisine göre dolanık haldeki iki parçacık evrenin neresinde olursa olsun birbirlerini "anında" etkileyebilir ve iletişim kurabilirler. Buna göre anahtarın, iki farklı yerde konuşlu olan A ve B ismindeki dolanık foton çiftinden -çizgisel ve/veya doğrusal şekilde polarize edilen fotonların titreşimleri kullanılarak- A fotonuna (bilgisayarların verileri 0 veya 1 ikili sisteminde kodlaması gibi) kodlanması demek (A'ya uygulanan etki aynı şekilde B'yi de etkileyeceği için) anahtarın anında ikiz B fotonuna "ışınlanacağı" anlamına gelir. Ancak belirtmek gerekir ki bilimkurgu filmlerinde ve kitaplarında gördüğümüzün aksine kuantum ışınlanma ile insanları değil, sadece çok küçük boyutlardaki bilgiyi ışınlayabiliriz.

Ek olarak Çin yeryüzündeki bir istasyondan klasik iletişim kanalları vasıtasıyla Viyana'daki istasyona şifreli bir mesaj gönderecek. Uzay aracı Viyana'da konuşlu istasyonun üzerinden uçarken istasyonla kuantum bağlantısı kuracak ve uydu ile Avrupa'da konuşlu istasyon arasında bir anahtar üretilecek. Bir süre sonra uydu Çin'de konuşlu istasyonun üzerinden geçecek ve Çin'deki istasyonla ikinci kuantum bağlantısını kurup anahtarı güvenilir duruma getirecek.

Her iki şifre de uyduda bulunacak ve bu iki şifre birleştirilerek tek şifre oluşturulabilecek. Daha sonra klasik bir iletişim kanalıyla her iki istasyona da iki şifre kombinasyonuyla oluşturulmuş olan tek anahtar gönderilecek. Bu işlem kamuya açık olarak yapılabilir, çünkü kombine anahtardan kimse bilgi sızdıramaz. Yeryüzünde konuşlu istasyonlardan birisi tek bir anahtara sahip olduğu için kombine anahtarı çözüp diğer istasyonun anahtarını öğrenebilir.

Bu teknik, gönderilen mesajın üçüncü kişiler tarafından kırılmasını, dinlenmesini veya ele geçirilmesini imkânsız kılıyor. Kuantum anahtarı bir şekilde gözlemlenirse yani ele geçirilmeye çalışılırsa, veri iletimi başarısız olur. Çünkü Heisenberg'in belirsizlik ilkesindeki gözlemci etkisi gereği dışarıdan bir gözlem ya da müdahale fotonların kuantum durumlarını değiştirecektir. Yani ele geçirilen anahtar artık işe yaramaz haldedir. Ayrıca "bozuk" olan anahtar alıcı istasyona da ulaşacak ve istasyon, üçüncü kişiler tarafından dinlendiğinin farkına varacaktır.

Kuantum Haberleşme Nedir?

Kuantum haberleşme henüz emekleme aşamasında olmasına karşın, teknik olarak "asla kırılamayan", yani üçüncü kişiler tarafından hiçbir şekilde bilgi sızdırılamayan ve dinlenemeyen gelişmiş bir iletişim olanağı sunarak başta askeri haberleşmede ve siber saldırılara karşı yüksek güvenlikli internette olmak üzere ultra güvenlik gerektiren tüm iletişim teknolojilerinin gelecekte temelini atacak bir alandır.

Baştan belirtmek gerekir ki, kuantum haberleşme günümüzde kullandığımız iletişim kanalı türlerine alternatif bir iletişim kanalı değildir. Başka bir deyişle, "Merhaba, nasılsın?" şeklindeki bir mesajı fotonlara kodlayarak gönderemezsiniz. Kuantum haberleşme, kuantum kriptografi yardımıyla günümüzde kullandığımız iletişim kanallarını sadece "ultra güvenli" hale getirecek bir alandır.

Kuantum kriptografi fikri kuantum enformasyon teknolojisine büyük katkılar sunan Stephen Wiesner'in ilk kez ortaya attığı 1970'li yıllara kadar dayanır. En çok bilinen ve kullanılan kuantum kriptografi uygulamalarından biri olan Kuantum Anahtar Dağılımının (Quantum key distribution) BB84 protokolü 1984 yılında iki IBM araştırmacısı Charles Bennett ve Gilles Brassard tarafından geliştirildi.

Askeri amaçlar dışında kuantum haberleşme ultra güvenlikli internet için de büyük umut vaad ediyor. Bu sebeple gerek Avrupa ülkelerinde gerek de ABD'de son on yılda fiber optik kablolar üzerinden onlarca kilometre uzaklıktaki parçacıkları birbirleriyle dolanıklığa sokarak kuantum internet testleri yapıldı, ancak Güneş ışığı ya da ortamdaki diğer parçacıklar dolaşık parçacıklarla etkileşime girmeye çok meyilli olduğu için çok uzun mesafeler kat edilemiyordu. Bu problemi, kuantum fiziğinde öncü isimlerden biri olan Avusturyalı fizikçi Anton Zeilinger şöyle ifade ediyor:

Dolaşık fotonları yeryüzünde hava veya fiber optik kablolar üzerinden 200 km’den daha öteye taşıyamazsınız. Gerçekten uzak mesafeler kat etmek istiyorsanız, uzay boşluğundaki bir kuantum uydusu tek şansınızdır.

Bu linkte, kuantum haberleşme testlerinde kullanılan bilimsel ekipman ve aletleri görebilirsiniz.