Kuantum kriptografi (şifreleme), daha önce uzak mesafeler arasında mümkün değildi. Fakat ilk kuantum iletişim uydusu Micius çoktan tarih yazmaya başladı bile.
Kuantum kriptografi, güvenliği fizik kanunları tarafından güvenceye alınan iletişimi mümkün kılacak. Önemi her geçen gün daha da artıyor.
Fizikçiler, kuantum bilgisayarların neredeyse tüm kriptografi yöntemlerini, yani şifreleme yazılımın çalışma metotlarını alt edeceğini uzun zamandır biliyordu. Kuantum bilgisayarların gün geçtikçe daha da marifetli hale gelmesiyle, standart şifreleme yöntemleri için tehlike çanları çalmaya başladı. Ticari şirketler, hükümetler ve ordular nefeslerini tutmuş şekilde, kullanıma hazır kuantum kriptografi sistemlerinin geliştirilmesini bekliyor.
Ancak bir sorun var. Kuantum kriptografi, fotonların tek tek kuantum bilgisini taşıması prensibi üzerine kurulu. Fakat ışık soğurulması gerçekleşip bu süreç imkânsız hale gelmeden önce, en iyi fiber optik kabloların bile fotonları taşıyabildiği belirli bir uzaklık var; yaklaşık 200 kilometre. Bu yüzden kuantum kriptografi hiçbir zaman uzak mesafeler arasında kullanışlı olamadı.
2016 yılında fırlatılan Çin’in olağanüstü uydusu sayesinde bugün işler değişmiş durumda. Micius uydusu çalışmaya başladığı yaklaşık bir yıl içinde pek çok çığır açan gelişmeye imza attı bile. Geçtiğimiz yaz, Dünya’dan yörüngeye ilk cismi ışınladı; tek bir foton. Şimdiyse bu uydu ilk kıtalararası kuantum kriptografi servisini hazır hale getirdi. Araştırmacılar, Avrupa ve Çin arasında güvenli bir video konferans bağlantısı kurarak sistemi test etti. Bir ilk olarak, bu video konferansın güvenliği, fizik yasaları tarafından güvence altına alındı.
Bu yöntem esasen hiç de karmaşık değil. Kuantum kriptografi, güvenliği sağlamak adına tek kullanımlık şeritlerle (şifrelerle) çalışıyor. Bu şerit, bir dizi rasgele sayıdan meydana geliyor. Anahtar olarak da anılan şeritler bir mesajı şifrelemek ve deşifre etmek için iki tarafça kullanılabiliyor.
Geleneksel kullanımda, tek kullanımlık şeritlerin problemi yalnızca göndericinin ve alıcının bu şeride sahip olduğundan emin olmaktı. Şerit paylaşılırken kimsenin kulak kabartmadığından her iki taraf da nasıl emin olabilir?
Bu problem, anahtarı foton benzeri kuantum parçacıklar vasıtasıyla göndererek ustaca atlatıldı. Çünkü kuantum parçacıkların önceden gözlemlenip gözlemlenmediği her zaman anlaşılabilir. Eğer bu süreçte kullanılan parçacık biri tarafından görüldüyse, anahtar kullanılmaz ve her iki taraf da gözlemlenmemiş tek kullanımlık şeride yalnızca kendilerinin sahip olduğundan emin oluncaya dek yeni bir tane gönderilir.
Kuantum kriptografinin temelini oluşturan işlem ise kuantum anahtar dizilimi. İki taraf da anahtarı, yani tek kullanımlık şeridi aldıktan sonra, bildiğimiz olağan kanallar üzerinden kusursuz güvenlik dahilinde iletişim sağlayabilir.
Micius uydusunun yaptığıysa, bu anahtarları yörüngeden göndermekten ibaret. Kutuplardan geçen yörüngesi güneşle senkronize olduğundan, uydu Dünya üzerindeki her bir noktadan, her gün yaklaşık aynı yerel saatte geçiyor.
Yani uydu Çin’in kuzey illerinden Hebei’de bulunan Xinglong yer istasyonundan geçerken tek kullanımlık şeridi, tekli fotonlarla şifrelenmiş şekilde, önceden belirlenmiş bir protokolle yüzeye yolluyor. Dünya uydunun altında döndüğü sırada, Avusturya Graz’daki yer istasyonu uydudan görünür olduğu anda Micius tek kullanımlık şeridi bu sefer de buradaki alıcıya yoluyor. Böylelikle, standart bir link üzerinden güvenli konuşmayı başlatmaya yarayacak anahtar her iki konuma da ulaşıyor.
Ancak deney bunun bir adım daha ötesine gidiyor. Amaç, Pekin’deki Çin Bilim Akademisi ve Viyana’daki Avusturya Bilim Akademisi arasında bir video konferans yapmaktı, bu yüzden de anahtarın her iki konuma da güvenli bir şekilde ulaştırılması gerekiyordu. Ve bunu sağlamak adına ekipler, fiber optik kablolar yardımıyla yer üzerinden kuantum iletişim kurdular.
Nihai olarak, saniyede bir 128 bit tohum anahtarlarla yenilenen, güvenliği Gelişmiş Şifreleme Standartları (Advanced Encryption Standard/AES) tarafından sağlanan bir video linki açmayı başardılar. Eylül ayında, 75 dakika süren ve toplamda iki gigabayt veri iletilen bu konuşma türünün ilk örneği oldu.
Viyana Üniversitesi’nden Anton Zeilinger ve Hefei’deki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Jian-Wei Pan önderliğinde yürütülen çalışmanın ekipleri şu açıklamada bulundu: “Dünya üzerinde, birbirlerinden maksimum uzaklığı 7600 km’yi geçmeyen pek çok yerde kıtalararası kuantum iletişimin mümkün olduğunu gösterdik.”
Bu sistemin gelecekte çalışmasının önüne geçebilecek bazı potansiyel zayıflıkları da var elbette. Muhtemelen bunlardan en önemlisi, uydunun iki yer istasyonunun iletişimini sağladığı süre zarfında güvenli kabul edilmesi. Çok yanlış bir varsayım olmayabilir, sonuçta kim bir uyduyu ele geçirebilir ki? Ancak bu, fizik yasalarının garanti edebileceği bir durum değil. Çalışmayı yürüten ekipler yine de umutlu, gelecekteki tasarımlarda uçtan uca kuantum rölelerine yer vererek bu sorunun üstesinden gelinebileceğini söylüyorlar.
Eksikliklerine rağmen bu oldukça etkileyici bir çalışma. Küresel ölçekte güvenli iletişim kavramının kanıtı niteliğinde. Zeilinger, Jian-Wei ve çalışma arkadaşları şunu belirtiyorlar: “Çalışmamızla, gelecekte kullanılacak kuantum internetin temelleri olan çok uzak mesafeler arası küresel kuantum ağı için etkili bir çözümün önünü açıyoruz.”
Oldukça fazla sayıda devlet, ordu ve ticari kurum tam da bu imkânları sunacak bir şeyin peşinde. Dolayısıyla Micius uydusunun ticari benzerlerinin, dünyanın dört bir yanında güvenli iletişim sattığı bir gelecek çok da uzak olmayabilir. Elbette Çin’in önderliğinde.
(MIT Technology Review tarafından, ArXiv’den “Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network” alınmıştır.)
