Kuantum İnternet Nedir? Bilim, Devrim Niteliğindeki Yeni Nesil Kuantum İnternet Rüyasını Gerçek Kılabilir mi?

Kuantum internet, kuantum fiziğine dayalı olarak çalışan kuantum bilgisayarlar gibi cihazların ortak bir çevrede veri alışverişi yapmasına olanak tanıyan, kuantum fiziği kurallarına dayalı olarak çalışan, gelecek nesil internet teknolojilerinin genel adıdır. Teorik olarak kuantum internet, günümüzdeki web uygulamalarının asla erişemeyecekleri hız ve yeteneklere erişebilmesini mümkün kılacaktır.

Kuantum bilgisayarlar (ve dolayısıyla onların bağlanması öngörülen kuantum internet); günümüzde kullanılan "bit" mantık yapısına sahip klasik (dijital) bilgisayarların yerini alması öngörülen, "kübit" (veya "qubit") adı verilen kuantum bitlerden faydalanması dolayısıyla çok yüksek hızlı işlem yapabilen, kuantum mekaniği prensiplerine göre çalışan yeni bilgisayarlar olarak öngörülmektedir.

Modern Teknolojide Kuantum Mekaniği

Günümüzde hızla gelişen bilim ve teknoloji alanlarında, kuantum bilgisayarlarlara ek olarak; kuantum iletişim, kuantum teleportasyon, kuantum şifreleme, kuantum algoritmaları ve kayıpsız kuantum durum iletimi (İng: "perfect state transfer") gibi kuantum teknolojileri üretilmeye çalışılmaktadır.

Her ne kadar popüler dizi ve filmlerde kuantum teleportasyon ile mikroskobik ve makroskobik ölçekteki maddelerin uzay ve zamanda bir noktadan başka bir noktaya taşınması, yani "ışınlanması" anlatılagelse de aslında bu alandaki atılımlar daha ziyade nesnelerin kuantum durumlarının bir noktadan diğerine aktarılması üzerinedir. Kolay kırılabilir (çözülebilir) klasik şifreleme yerine kuantum fiziği prensiplerine göre çalışan kuantum şifreleme protokolleri üretilmeye çalışılmaktadır. Kuantum bilginin bir yerden bir yere kayıpsız taşınımı için modeller ve algoritmalar ele alınmaktadır. Klasik bilgisayarlarda kullanılan algoritma yerine, kuantum mekanik algoritmaların kullanılması öngörülmektedir. Benzer şekilde, klasik mantık kapıları yerine, kuantum durumların (İng: "quantum states") mantıksal işleyişine uyacak yeni kuantum mantık kapılarının kuantum bilgisayarlarında kullanılması planlanmaktadır.

Günümüz teknolojisinin geldiği bu noktada fizik, tüm bu teknolojik süreçlerin olanaklı olup olmadığını, olanaklı ise hangi araçların kullanılarak bunların yapılabileceğini, kuantum bilgisayarları, kuantum iletişim, kuantum tele-nakil, kuantum şifreleme, kuantum algoritmaları, kayıpsız kuantum durum iletimi gibi bilimsel problemlerin nasıl modelleneceği gibi önemli sorulara teorik yanıtlar ve deneysel kanıtlar aramaktadır.

Kuantum Bilgi İşlemde Dolanıklık Kavramı

Yukarıda bahsi geçen fizik konularının hepsinin ortak kavramı, ilk defa 1935 yılında Schrödinger tarafından önerilen kuantum dolanıklıktır. Bu teknoloji uygulamalarını hayata geçirebilmek için, temel olarak kuantum dolanıklığa hükmedilmesi gerekmektedir. Bu nedenle kuantum dolanıklığın elde edilmesi, kuantum mantık yapılarının kurulması ve üretilmesi, kuantum algoritma ile ilişkilendirilmesi, kuantum şifreleme protokolüne aktarılması, iletilmesi ve korunması problemleri önem taşımaktadır. Dolanıklığın kuantum teknolojileri açısından taşıdığı bu önemden dolayı son yıllarda çok yoğun teorik ve deneysel çalışmalar sürdürülmektedir.

NIST

Tüm bunlar kulağa bir bilimkurgu konsepti gibi gelebilir; ancak kuantum dolanıklık fenomeni aracılığı ile kuantum ağları oluşturmak, dünyadaki birçok ülke için önemli bir araştırma geliştirme tutkusu durumunda. Yakın zamanda ABD Savunma Bakanlığı, önümüzdeki birkaç yıl içinde kuantum internet rüyasını gerçeğe dönüştürmek için adım adım strateji ortaya koyan ilk planını yayınladı. Benzer şekilde, 2021 yılında bildirdiğimiz gibi Çin, kuantum anahtar dağıtıcı teknolojisi sayesinde veri aktarımının mümkün olabileceğini göstermiştir.

Kuantum İnternet Nedir?

Kuantum internet, kuantum mekaniği yasalarından yararlanılan bir ortamda kuantum cihazlarının bazı bilgileri değiş tokuş etmesine izin verecek bir ağ yapısıdır. Teorik olarak bu durumun, kuantum internete günümüzün web uygulamalarıyla gerçekleştirilmesi imkansız olan benzeri görülmemiş yetenekler kazandırması beklenmektedir.

Kuantum dünyasında veriler, kuantum bilgisayar veya kuantum işlemci gibi kuantum cihazlarda oluşturulabilen kuantum bit'lerin (kübitlerin) varlığı ile kodlanır. Bu veriler basit bir ifadeyle, fiziksel olarak ayrılmış birden çok kuantum aygıttan oluşan bir ağ üzerinden kübitlerin gönderilmesini içerecektir. En önemlisi, tüm bunlar kuantum mekaniği yasalarına özgü tuhaf özellikler sayesinde gerçekleşecektir.

Bu yapıyı bir anlığına hâlihazırda kullandığımız internet yapısına benzetmiş olabilirsiniz. Ancak kübitleri klasik bir kanal yerine bir kuantum kanal aracılığıyla göndermek, mikro ölçekte parçacıkların kuantum durum davranışlarından yararlanmak anlamına gelmektedir.

Günümüzde kullandığımız WEB 2.0'ın ilerde oluşturulacak kuantum ekosisteminin nasıl çalıştığını anlamak için, "klasik bilgi işlem" hakkında bildiğiniz her şeyi unutmak gerekmektedir. Çünkü kuantum internet, size en sevdiğiniz saatlerce sörf yaptığınız web tarayıcılarına asla benzemeyecektir. Bu nedenle de, en azından önümüzdeki birkaç on yıl boyunca, bir kuantum Zoom toplantısına katılmayı beklememelisiniz.

Quantum Internet

Kuantum İnternet Nasıl Çalışır?

Kuantum iletişimin merkezinde, kuantum mekaniğinin temel yasalarından yararlanan kübitlerin klasik bitlerden çok farklı davranması yatmaktadır. Kullandığımız klasik bilgisayarlar, tüm işlemleri 0 ve 1 değerlerinden yalnızca birini alabilen bit birimi üzerinden yapmaktadır. Örneğin bir ışık düğmesinin "açık" ya da "kapalı" olması veya bir kedinin "ölü" ya da "diri" olması örneğinde olduğu gibi, 0, "kapalı/ölü" konumu ve 1, "açık/diri" konumu temsil eden pozisyondur.

Kübitler ise klasik sistemlerdeki gibi 0 ya da 1 durumda olmak zorunda değildir. Kuantum dünyada ise (bir "ölçüm" yaparak sistemi etkilemediğimiz takdirde) işlemler, aynı anda bir miktar 0 bir miktar da 1 biçiminde bulunabilmektedir. Yani, klasik sistemde bir bit 0 ya da 1 "olmalı"dır, kuantum sistemdeki bir kübit ise "olabilir"dir. 0, 1, ya da her ikisinin kuantum süperpozisyonu denilen üst üste olma durumu söz konusudur.

Bu durum, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan ayrıldığı en temel noktalardan birini oluşturuyor. Elbette şaşırtıcı olmayacak şekilde, kübitler, e-postalar veya WhatsApp mesajları gibi aşina olduğumuz türden verileri göndermek için kullanılamayacaktır. Ancak bazı geniş tabanlı uygulamalarda büyük fırsatlar yaratacaktır.

Kuantum Anahtar Dağıtımı Ne İşe Yarayacak?

Klasik iletişimde çoğu veri, gönderici ve alıcıya paylaşılan bir anahtar dağıtılarak ve ardından mesajı şifrelemek için bu ortak anahtar kullanılarak güvence altına alınır. Alıcı, daha sonra, verilerin kodunu çözmek için bu anahtarını kullanabilir. Günümüzde çoğu klasik iletişimin güvenliği, bilgisayar korsanlarının kırılması zor ancak imkansız olmayan anahtarlar oluşturmaya yönelik bir algoritmaya dayanmaktadır. Son yıllarda araştırmacılar bu iletişim sürecini kuantum mekaniksel olarak yapmaya çalışmaktadırlar. Bu konsept, kuantum anahtar dağıtımı (İng: "quantum key distribution") adı verilen bir siber güvenlik alanının merkezinde yer almaktadır.

Kuantum anahtar dağıtımı, iki taraftan birinin anahtarını kübitler ile kodlayarak bir parça klasik veriyi şifrelemesini sağlayarak çalışır. Gönderici bu kübitleri, anahtar değerlerini elde etmek için kübitleri ölçen kişiye iletir. Yapılan bu ölçüm, kübitin durumunun çökmesine neden olur; ancak önemli olan, ölçüm işlemi sırasında okunan değerdir. Kübit, bir bakıma, yalnızca anahtar değerini taşımak için oradadır.

Kullanılan bu yöntem ile verinin iletimi sırasında üçüncü bir tarafın kübitleri gizlice izleyip izlemediğini öğrenmenin kolay olduğu düşünülebilir. Çünkü bu davetsiz misafir, bu gizemli anahtarın ona bakarak, çökmesine neden olmaktadır. Yani bir bilgisayar korsanı, herhangi bir noktada bu kübitlere bakarsa, kübitlerin durumunu otomatik olarak değiştirecektir ancak kaçınılmaz olarak da arkasında gizli bir izleme/dinleme işareti bırakacaktır. Bu nedenle kriptograflar kuantum anahtar dağıtımının "kanıtlanabilir" olarak güvenli olduğunu iddia ederler.

Neden Kuantum İnternet?

Şu anda kuantum anahtar dağıtımını oluşturmanın "olağan" yolu, kübitleri fiberoptik kablolar aracılığıyla, alıcıya tek yönlü olarak göndermekten ibarettir; ancak bu, alıcı ile vericinin aralarında oluşturulacak protokolün etkinliğini önemli ölçüde sınırlar. Kübitler, bir fiber optik kabloda kolayca kaybolabilir veya dağılabilir, bu da kuantum sinyallerinin çok fazla hataya açık olduğu ve uzun mesafeler kat etmek için mücadele ettiği anlamına gelir. Aslına bakarsanız mevcut deneyler, en fazla yüzlerce kilometrelik bir menzille sınırlıdır. Bu konuda en kritik çözüm, iki cihaz arasında iletişim kurmak için dolanıklık fenomeninden yararlanmaktır.

İki kübit etkileşime girdiğinde ve birbirine dolandığında, birbirleri arasında belirli özellikleri paylaşırlar. Kübitler dolanık durumdayken, çiftteki bir parçacıkta meydana gelen herhangi bir değişiklik, fiziksel olarak birbirlerinden ayrılmış olsalar bile, diğerinde de değişikliklere neden olacaktır. Bu nedenle, ilk kübitin durumu, dolanık muadilinin davranışına bakılarak "okunabilir". Kuantum iletişim bağlamında, ikisini birbirine bağlayan fiziksel bir kanala ihtiyaç duymadan, bir kübitten bazı bilgileri dolanık diğer yarısına ışınlayabilir.

Bu, şu demektir: Dolanıklık ağı kurulduğunda, bağlantılı kübitlerin mesajlarını bir yerden bir yere iletmek için artık herhangi bir fiziksel altyapıdan geçmesi gerekmeyecektir. Bu nedenle iletim sırasında, kuantum anahtarı üçüncü şahıslar tarafından neredeyse görünmez olacaktır, ele geçirilmesi imkansız olacaktır ve bir noktadan diğerine güvenilir bir şekilde "ışınlanabilir" olacaktır. Bu fikir, bankacılık, sağlık hizmetleri veya uçak iletişimi gibi hassas verilerle ilgilenen endüstrilerde büyük etkilere sebep olacaktır ve çok gizli ulusal bilgileri koruyan hükümetlerin de bu teknolojiyi etkin kullanmaları beklenmektedir.

Kuantum İnterneti Hayata Geçirmek İçin Ne Bekliyoruz?

Bilim insanları, kübitler arasında nasıl dolanıklık yaratılacağını zaten biliyorlar ve hatta bahsedilen kuantum anahtar dağıtımı için de dolanıklıktan başarıyla yararlanıyorlar. Kuantum ağlarında uzun süredir başarılı araştırmaları olan Çin, uydu tabanlı dolanıklık konusunda önemli bir araştırmaya imza attı ve kısa süre önce kurduğu dolanıklık ile kuantum anahtar dağıtımında 1200 kilometre ile mesafe rekorunu kırmış oldu.

Bundan sonraki aşama, var olan altyapıyı daha da büyütmek olacak. Ne var ki Dünya üzerinde kübitleri etkin bir şekilde birbirine bağlayabilecek büyük ölçekli "ışınlama ağları" oluşturmak için önümüzde hala büyük mühendislik zorlukları bulunuyor. Şimdiye kadarki tüm deneyler yalnızca iki uç noktayı birbirine bağladı. Artık noktadan noktaya iletişim sağlandığı için, bilim insanları, birden fazla göndericinin ve birden fazla alıcının kuantum internet üzerinden küresel ölçekte değiş tokuş yapabileceği bir ağ oluşturmaya çalışıyorlar.

University of Science and Technology of China

Yeni görev: Uzun mesafeler boyunca ve aynı anda birçok farklı nokta arasında çok sayıda dolanık kübit üretmenin en iyi yollarını bulmak. Bunu söylemek, yapmaktan elbette çok daha kolay: Örneğin, Çin'deki bir cihaz ile ABD'deki bir cihaz arasındaki dolanıklığı sürdürmek, yeni yönlendirme protokollerinin üzerine bir ara düğüm noktasının varlığının geliştirilmesini gerektirecektir.

Çin, bu anlamda uydu teknolojisi ile bunu gerçekleştirmeyi seçerken, şu anda dolanık kübitleri ayıran mesafeyi artırabilecek bir kuantum tekrarlayıcı ağı oluşturmaya çalışan ABD Savunma Bakanlığı tarafından tercih edilen yöntem fiber optik teknolojisidir. ABD'de, parçacıklar, kuantum tekrarlayıcılara ihtiyaç duymadan, Chicago'da 84 kilometrelik bir "kuantum döngüsü" boyunca optik fiber aracılığıyla dolanık halde kaldı ve ağ yakında 130 kilometrelik bir kuantum test oluşturmak için laboratuvarlarda yeniden inşa edilecek.

Avrupa Birliği de, kuantum internet için bir strateji geliştirmek üzere 2018'de Kuantum İnternet Birliği'ni kurdu ve araştırmacılar, 50 kilometreden fazla mesafede dolanıklığı gerçekleştirdi.

Sonuç

Kuantum araştırmacılar için amaç, bu ağları önce ulusal, sorasında da uluslararası düzeyde ölçeklendirmektir. Bilim insanlarının büyük çoğunluğu, bunun birkaç on yıldan önce gerçekleşmesinin pek mümkün olmadığı konusunda hemfikirdir. Kuantum internet, şüphesiz çok uzun vadeli bir projedir ve önünde birçok teknik engel bulunmaktadır. Ancak teknolojinin kaçınılmaz olarak yol açacağı beklenmedik sonuçlar, şimdilik tahmin bile edilemeyen çok sayıda tuhaf kuantum uygulamasıyla tamamlanmış paha biçilmez bir bilimsel yolculuk yapacaktır. Tam da Carl Sagan'ın dediği gibi:

Bir yerlerde muhteşem bir şeyler keşfedilmeyi bekliyor.