Kuantum özellikli ilk iletişim uydusu, tam adıyla Uzay Ölçeklerinde Kuantum Deneyleri (QUESS) Uydusu, Çin tarafından 16 Ağustos 2016’da fırlatılmıştı.
Boston Üniversitesi’nden elektrik ve bilgisayar mühendisi Prof. Alexander Sergienko, “Yapılacak deneyler ilk olduğu için dünya çapında öneme sahip ve heyecan verici” diyor. Sergienko, kuantum iletişim yarışının 20 yıldan beri sürdüğünü belirtiyor. “Kuantum Şifreli Anahtar Dağılım” bağlantısının ilk denemesi 1995’de Cenevre (Geneva) Gölü’nde yapılmıştı.
Sonraki dönemde Boston, Viyana, Pekin ve Tokyo’da geliştirildi ve gösterime sunuldu. Son beş yılda da Kanada, İtalya, İngiltere ve Avustralya’da birçok kuantum metropolitan iletişim ağı yapıldı.
600 kg ağırlığındaki QUESS Uydusu’nda, “dolaşık fotonlar” üreten bir kristal bulunuyor. Uydu, 500 km yükseklikteki yörüngesinde, her 90 dakikada bir dünya çevresini dolanıyor.
İki yıllık misyonu sırasında QUESS, uzaydan yere şifreler göndererek “kırılması imkânsız” (hack-proof) kuantum iletişimini gerçekleştirecek. Böylece, kuantum fiziğinin en tuhaf olayı olan “kuantum dolaşıklığına” ilişkin de görüş sunacak. Kuantum mekaniğinin temel doğası, gözlemler bağlamında son derece duyarlı olması ve gizli bir bilginin kopyalanmasına izin vermemesidir. Bu nedenle kuantum iletişim ağlarını kırmak olanaksızdır.
“Kuantum şifreli anahtar dağılımı” (QKD – Quantum Key Distribution) iletişimin güvenliğini sağlamak amacıyla kuantum mekaniğini kullanır. QKD, iletişim halindeki iki kişinin ve/veya kurumun yalnızca kendilerinin bildiği, gelişigüzel seçilmiş ve ortak şifreli anahtar üretmesini sağlar. Bu durum çoğu zaman “kuantum kriptografisi” olarak yanlış adlandırılır.
“Kuantum şifreli anahtar dağılım” sisteminin önemli ve kendine özgü özelliği, birbiriyle iletişim halindeki iki kişinin özel bilgilerine sızmaya, şifreyi kırmaya çalışan üçüncü kişiyi derhal algılamasıdır. Şifreyi bulmaya çalışan üçüncü kişi şifrenin ölçümünü yapmak zorundadır; bu çabası sırasında iletişim halindeki iki kişinin algılayabileceği anormalliklerin üretilmesine neden olur. Eğer üçüncü kişinin sızıntı düzeyi belli bir seviyenin altındaysa anahtar şifre üretilir ve güvenilirliği garantilenir (sızan kişi şifre hakkında bilgi sahibi olamaz), aksi takdirde güvenilir şifre oluşturulamaz ve iki kişi arasındaki iletişimin gizliliği kırılır.
“Kuantum şifreli anahtar dağılımı” yalnızca bir şifrenin üretilip dağılımı için kullanılır, herhangi bir verinin iletilmesi için değil. Daha sonra bu şifre herhangi bir şifreleme algoritmasıyla kullanılarak bir mesajı şifreleme veya şifresini kırmada kullanılır. QKD ile ilişkili en yaygın algoritma, gelişigüzel seçilmiş gizli bir şifre ile kullanıldığında güvenilirliği hemen hemen kesin olan “one-time pad” algoritmasıdır.
BB84 protokol diyagramı: Alice’in güvenli olmayan kuantum kanalından gönderdiği polarize olmuş foton, Bob tarafından algılanıyor; ancak Eve, Alice ile Bob arasındaki iletişime sızmaya çalışır.
Polarized Light Source – Polarize olmuş ışık kaynağı; Polarization Detector – Polarizasyon algacı; Insecure quantum channel – Güvenliksiz kuantum kanalı)
İlk Kuantum Şifre Anahtar Dağılım Protokolü (QKD)1984’de Charles Bennett ve Gilles Brassard tarafından önerildi ve bir dizi kuantum ağı (yayın istasyonları şebekesi) araştırmasında uygulandı. Bu protokolde kuantum birimleri (qubits) bir kişiden diğer kişiye güvenli olmayan kuantum ağında gönderildi. Kuantum mekaniği ve benzerini oluşturamama kuramına göre (bu kurama göre gelişigüzel ve bilinmeyen bir kuantum durumunun dengini üretmek imkânsızdır) mesajı dinlemeye çalışan kişi (Eve) kuantum mesajını gönderen (Alice) veya alan kişi (Bob) tarafından algılanmadan şifreyi elde edemez (Bkz. Şekil).
Kuantum kriptografi firması ID Quantique’de çalışan Gregoir Ribordy, kuantum iletişiminin sabun köpüğü üzerine yazılmış mesaja benzediğini, eğer bu mesaj yayınlanırken onu okumak isteyen birisi çıkarsa, mesajın sabun köpüğü gibi patlayacağını söylüyor.
Türbülantlı hava koşullarının ve fiber bağlantılardaki bozulmaların olmadığı uzay, kuantum iletişimi için cazip bir ortam oluşturur. Nature dergisinde, “QUESS’in birbiriyle sarmaş dolaş olan foton çiftleri üretme yeteneğine sahip olduğu için kuantum dolaşıklığı deneylerini gerçekleştireceği; ancak misyonun ilk görevinin Pekin ile Viyana arasında kuantum şifreli anahtar sağlamak olacağı” belirtiliyor.
Uzay aracı Avrupa’da konuşlu istasyonun üzerinden uçarken istasyonla kuantum bağlantısı kuracak, uydu ile Avrupa’da konuşlu istasyon arasında bir şifre üretilecek. Bir süre sonra uydu Çin’de konuşlu istasyonun üzerinden geçecek ve Çin’deki istasyonla ikinci kuantum bağlantısını kurup şifreyi 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 şifre gönderilecek. Bu işlem kamuya açık olarak yapılabilir, çünkü kombine şifreden kimse bilgi sızdıramaz. Yer’de konuşlu istasyonlardan birisi bir tek şifreye sahip olduğu için kombine şifreyi çözüp diğer istasyonun şifresini öğrenebilir.
Eğer iki yıllık olarak planlanan görev başarıya ulaşırsa, kuantum iletişim uyduları zincirinin ilk halkası ve kuantum iletişiminin öncüsü olacaktır.
Hazırlayan: Prof. Rennan Pekünlü
Kaynaklar:
– Nature, 535, pp. 478-479, 28 July 2016
– http://english.cas.cn/newsroom/news/201608/t20160816_166485.shtml
– https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_network
