Kulağa bir bilim-kurgu kavramı gibi gelebilir, fakat dünyanın birçok ülkesinde kuantum şebekeleri kurmak önemli bir tutku haline gelmiştir. Yakın zamanda ABD Enerji Bakanlığı (DoE), önümüzdeki birkaç yıl içinde, en azından başlangıç aşamasında, kuantum internet rüyasını gerçeğe dönüştürmek için adım adım bir stratejiyi ortaya koyan ilk planını yayınladı.

Böylece ABD de, kuantum haberleşme kavramına büyük ilgi göstermek üzere AB ve Çin'e katıldı. Fakat kuantum internet tam olarak nedir, nasıl çalışır ve başarabileceği harikalar nelerdir?

Kuantum internet, kuantum mekaniğinin acayip yasalarından yararlanan bir ortamda kuantum cihazlarının bazı bilgi değişimine izin verecek olan bir şebekedir. Teoride bu, kuantum internete, günümüzün web uygulamalarıyla gerçekleştirilmesi imkansız olan eşi görülmemiş yetenekler kazandıracaktır.

Kuantum dünyasında, veri bir kuantum işlemcisi ya da bir kuantum bilgisayarı gibi kuantum cihazlarında oluşturulabilen “qubit’ler” halinde kodlanabilir. Ve kuantum internet, basitçe, fiziksel olarak ayrılmış birden çok kuantum aygıtından oluşan bir şebeke üzerinden kübitlerin gönderilmesini içerecektir. En önemlisi, tüm bunlar kuantum durumlarına özgü tuhaf özellikler sayesinde gerçekleşmektedir.

Bu durum standart bir internete benzeyebilir, fakat kübitleri klasik bir kanal yerine bir kuantum kanalı aracılığıyla göndermek, en küçük ölçekte alındığında parçacıkların davranışlarından etkin bir şekilde yararlanmak anlamına gelir- sözde "kuantum durumları", bilim adamları arasında on yıllardır kimi zaman hoşnutluğa ve kimi zamanda endişeye neden olmuştur.

Ve bilginin kuantum internette iletilme şeklini destekleyen kuantum fiziği yasaları, pek de bilinmeyen bir şey değil. Gerçekte kuantum yasaları gariptir, genel kanılara aykırıdır, ve hatta bazen görünüşte doğa üstüdürler.

Kuantum ekosisteminin nasıl çalıştığını anlamak için klasik bilgi işlem hakkında bildiğimiz her şeyi unutmak gerekebilir. Çünkü kuantum internet size en sevdiğiniz web tarayıcısını pek anımsatmayacaktır.

Kuantum ile hangi tür bilgi değişimi yapabiliriz?

Kısaca pek çok internet kullanıcısının alışık olduğu bir şey değil bu. Bu nedenle, en azından önümüzdeki birkaç on yıl boyunca, bir gün kuantum Zoom toplantılarına katılacağımızı pek ummayalım. Ancak yine de iletişim teknolojilerindeki hızlı değişim ve gelişmeleri ve mevcut örnekleri dikkate aldığımızda bazı tahmin etmediğimiz imkan ve olanaklara daha kısa bir süre içinde kavuşabilme şansımız da yok değil.

Kuantum iletişiminin merkezinde, kuantum mekaniğinin temel yasalarından yararlanan kübitlerin klasik bitlerden çok farklı davranması yatmaktadır. Verileri kodlarken, klasik bir bit etkin şekilde sadece 2 durumdan biri halinde bulunabilir (0 ya da 1), örneğin bir elektrik anahtarı ya kapalı ya da açıktır.

Ancak kübit’lerde durum aynı değildir. Bunun yerine, kübitler üst üste bindirilir: Klasik dünyada var olmayan özel bir kuantum durumunda yani aynı anda 0 ve 1 olabilirler. Sanki evinizindeki kanepenin aynı anda hem sol tarafında ve hem de sağ tarafında oturuyor gibi düşünün olayı basitçe.

Paradoks, yalnızca bir kübiti ölçme eyleminin, ona bir durum atandığı anlamına gelmesidir. Ölçülen bir kübit otomatik olarak ikili durumundan düşer ve tıpkı klasik bir bit gibi 0 veya 1'e dönüşür. Bu fenomene süperpozisyon denir ve kuantum mekaniğinin merkezinde yer alır. Ancak beklenildiği üzere, kübitler, e-postalar ve WhatsApp mesajları gibi bildiğimiz türden verileri göndermek için kullanılamaz. Ancak kübitlerin garip davranışı, diğer daha özel uygulamalarda büyük fırsatlar yaratabilir.

Kuantum (daha güvenilir) haberleşme

Kübitlerlerin kullanımında en önemli keşif bilgi güvenliğidir. Günümüzde çoğu klasik iletişimin güvenliği, bilgisayar korsanlarının kırılması zor, ancak imkansız olmayan anahtarlar oluşturmaya yönelik bir algoritmaya dayanmaktadır. Bu yüzden bilim insanları şifreleme işini kuantum mekaniği yasalarına dayalı olarak çalışacak yapılar üzerinde araştırıyorlar. Kavram, kuantum anahtar dağıtımı (QKD) adı verilen ve yeni ortaya çıkan bir siber güvenlik alanının merkezinde yer alıyor.

QKD, iki taraftan birinin kriptografi anahtarını kübitlere kodlayarak bir parça klasik veriyi şifrelemesini sağlayarak çalışır. Gönderici daha sonra bu kübitleri, anahtar değerleri elde etmek için kübitleri ölçen diğer kişiye iletir.

Ölçüm, kübitin durumunun çökmesine neden olur; ancak önemli olan ölçüm işlemi sırasında okunan değerdir. Kübit, burada sadece anahtar değerini taşımak için kullanılır.

Daha önemlisi, QKD, iletim sırasında üçüncü bir tarafın kübitleri gizlice dinleyip dinlemediğini bulmanın kolay olduğu anlamına gelir, araya giren kişi anahtara baktığı anda onun çökmesine neden olur.

Eğer bir bilgisayar korsanı kübitler yolda iken herhangi bir noktada onlara bakarsa, bu kübitlerin durumunu otomatik olarak değiştirir. Bir korsan kaçınılmaz olarak arkasında bir gizli dinleme işareti bırakacaktır ki bu nedenle kriptograflar QKD'nin "kanıtlanabilir" bir güvenliğe sahip olduğunu iddia etmektedirler.

Peki, Neden Kuantum İnterent?

QKD teknolojisi henüz emekleme aşamasındadır. Şu anda QKD’yi yaratmak için genel usul, optik fiber kablolar aracılığıyla tek yönde alıcıya doğru kübitlerin gönderilmesidir, fakat bu durum protokolün verimliliğini önemli ölçüde kısıtlamaktadır.

Kübitler fiber optik kabloda kolayca kaybolabilir ya da saçılabilir, çünkü kuantum sinyalleri çok fazla hataya hassastırlar, ve uzak mesafeler kat etmekte zorlanırlar. Mevcut deneyimler, gerçekte yüzlerce km’lik bir alanda kısıtlıdır.

Bu hususta diğer bir çözüm de vardır ve kuantum internetin temelini oluşturan da budur: iki cihaz arasında iletişim kurmak için dolanıklık adı verilen başka bir kuantum özelliğinden yararlanma. İki kübit etkileşime girdiğinde ve birbirine dolandığında, birbirlerine bağlı olan belirli özellikleri paylaşırlar. Kübitler bir dolanıklık durumuna girdiğinde, çiftin birindeki herhangi bir değişiklik fiziksel olarak ayrık olsalar dahi diğerinde de değişikliğe neden olacaktır. Bu nedenle, ilk kübitin durumu, dolanık muadilinin davranışına bakılarak "okunabilir".

Ve kuantum iletişimi bağlamında dolanıklık aslında, iletim sırasında iki kübiti birbirine bağlayan fiziksel bir kanala ihtiyaç duymadan, bir kübitten bazı bilgileri dolanık diğer yarısına ışınlayabilir.

Dolanıklık Nasıl Çalışır?

Işınlanma kavramının kendisi, tanımı gereği, iletişim kuran cihazlar arasında fiziksel bir şebeke köprüsünün olmamasını gerektirir. Geriye, dolanıklığın ilk etapta yaratılması ve daha sonra bunun sürdürülmesi ihtiyacı kalır.

Dolanıklığı kullanarak QKD’yi gerçekleştirmek için, ilk önce dolanık kübitlerin bir çiftini yaratmak üzere uygun bir altyapının kurulması gereklidir, daha sonra kübitler gönderici ve alıcı arasında dağıtılır. Bu şifre anahtarlarlarının değiş-tokuş edileceği “ışınlama” kanalını oluşturur. Spesifik olarak, dolanık kübitler oluşturulduktan sonra, çiftin yarısını anahtarın alıcısına göndermeniz gerekir. Dolanık bir kübit, örneğin fiber optik şebekeler arasında iletilebilir; ancak kübitler yaklaşık 60 mil mesafeden sonra dolanıklığı sürdüremezler.

Kübitler ayrıca uydu aracılığıyla uzun mesafelerde dolanık halde tutulabilir, ancak dünyayı uzay kuantum cihazlarıyla kaplamak oldukça pahalıdır.

Bu nedenle, dünya çapında kübitleri etkin bir şekilde birbirine bağlayabilecek devasa ölçekli "ışınlama şebekeleri" oluşturmak için hala büyük mühendislik zorlukları vardır. Ancak dolanıklık şebekesi kurulduğunda, artık her şey çok basittir: bağlantılı kübitlerin mesajlarını iletmek için herhangi bir fiziksel altyapıya ihtiyaç yoktur.

Bu nedenle iletim sırasında, kuantum anahtarı üçüncü şahıslar tarafından neredeyse görünmez, ele geçirilmesi imkansızdır ve bir uç noktadan diğerine güvenilir bir şekilde "ışınlanır". Fikir, bankacılık, sağlık hizmetleri veya uçak iletişimi vb gibi hassas verilerle ilgilenen endüstrilerde çok büyük yer tutacaktır. Ve çok gizli bilgilere sahip hükümetlerin de bu teknolojileri benimsemesi muhtemeldir.

Kuantum İnternet ile daha başka neler yapabiliriz?

Neden dolanıklık ile ilgilenelim diye bir soru aklımıza gelebilir. Sonuçta, araştırmacılar QKD'nin "olağan" formunu iyileştirmenin yollarını bulabilirler. Örneğin kuantum tekrarlayıcılar, kübitlerin bozulmasına neden olacak kadar uzaklığa gitmeden fiber optik kablolardaki iletişim mesafesini artırmada önemli gelişmeler sağlayabilirler.

Bu, diğer uygulamalar için dolanıklığın muazzam bir potansiyele sahip olmadığını göstermez. QKD kuantum internetin neler başarabileceğinin en sık tartışılan örneğidir, çünkü bu günümüzde en kolay erişilebilen teknolojidir. Fakat, araştırmacılar arasında sadece güvenlik heyecan yaratan tek ilgi çekici konu değildir. QKD için kullanılan dolanıklık şebekesi, örneğin, farklı kuantum cihazlarında bulunan dolanık kübitlerden meydana gelen kuantum kümeleri oluşturmanın güvenilir bir yolunu sağlamak için de kullanılabilir.

Araştırmacılar, kuantum internete bağlanmak için özellikle güçlü bir kuantum donanımına ihtiyaç duymayacaklar - aslında, tek kübitlik bir işlemci bile işi yapabilir. Ancak bilim adamları, sadece durdukları yerde sınırlı yeteneklere sahip olan kuantum cihazlarını birbirine bağlayarak, hepsini geride bırakacak bir kuantum süper bilgisayar yaratabileceklerini umuyorlar.

Bu nedenle, birçok küçük kuantum cihazını birbirine bağlayarak, kuantum internet, şu anda tek bir kuantum bilgisayarda elde edilmesi imkansız olan sorunları çözmeye başlayabilir. Bu, büyük miktarda veri alışverişini hızlandırmayı ve astronomi, malzeme keşfi ve yaşam bilimlerinde büyük ölçekli algılama deneyleri yapmayı içerir. Bu nedenle bilim adamları, klasik bir bilgisayar için çok zor olan bir problemi tek bir kuantum bilgisayarın çözdüğü an, Google ve IBM gibi teknoloji devlerinin kuantum üstünlüğünü ele geçirmesinden önce kuantum internetin faydalarından yararlanabileceğimize inanıyorlar.

Öte yandan, bu tür cihazları kuantum dolanıklığı yoluyla birbirine bağlamak, birkaç bin kübit değerinde kümeleri gerektirecektir. Pek çok bilim insanı için böyle bir hesaplama gücü yaratmak aslında kuantum internet projesinin nihai hedefidir.

Kuantum İnternet ile Neler Yapamayız?

Yakın gelecekte, kuantum internet bizim halen diz-üstü bilgisayarlarla yaptığımız şekilde bilgi değiştirmek için kullanılamayacak. Genel kanı, bir kuantum internetini hayal etmek, birkaç on yıl (veya daha fazla) daha teknolojik gelişmeyi öngörmeyi gerektirir. Bilim adamları kuantum internetin geleceği hakkında ne kadar hayalci olsalar da mevcut haliyle bu proje ile her gün internette gezinme biçimimiz arasında paralellik kurmak biraz imkânsız.

Günümüzde pek çok kuantum iletişim araştırması, kuantum durumları sayesinde bilginin en iyi nasıl kodlanacağını, sıkıştırılacağını ve iletileceğini bulmaya odaklıdır. Kuantum durumları, elbette, olağanüstü yoğunlukları ile bilinmekte ve bilim adamları bir düğümün büyük miktarda veriyi ışınlayabileceğinden de eminler.

Ancak bilim adamlarının kuantum internet üzerinden göndermeye çalıştıkları bilgi türünün, bir gelen kutusunu açıp e-postalar arasında gezinmekle pek ilgisi yok. Ve aslında, klasik internetin yerini almak, teknolojinin yapmak istediği şey de değil.

Buna karşın araştırmacılar aksine, kuantum internetin klasik internetin yanında yer alacağını ve daha özel uygulamalar için kullanılacağını umuyorlar. Kuantum internet, bir kuantum bilgisayarında klasik bilgisayarlardan daha hızlı yapılabilecek veya bugün var olan en iyi süper bilgisayarlarda bile gerçekleştirilmesi çok zor olan görevleri yerine getirebilecektir.

Öyleyse Ne Bekliyoruz?

Bilim adamları, kübitler arasında nasıl dolanıklık yaratılacağını zaten biliyorlar ve hatta QKD için dolanıklıktan başarıyla yararlanıyorlar. Örneğin kuantum şebekeleri için uzun süredir yatırım yapan Çin, uydu kaynaklı dolanıklık konusunda bir dünya rekoru kırdı bile.

Ancak bir sonraki aşama, altyapıyı büyütmek. Şimdiye kadarki tüm deneyler yalnızca iki uç noktayı birbirine bağlayacak şekilde yapıldı. Artık noktadan noktaya iletişim sağlandığı için bilim adamları, birden fazla göndericinin ve birden fazla alıcının kuantum internet üzerinden küresel ölçekte değiş tokuş yapabileceği bir şebeke oluşturmaya çalışıyorlar.

Esasen fikir, istenildiğinde, uzun mesafelerde ve aynı anda birçok farklı nokta arasında çok sayıda dolanık kübit üretmenin en iyi yollarını bulmaktır. Örneğin, Çin'deki bir cihaz ile ABD'deki bir cihaz arasındaki dolanıklığı korumak, muhtemelen yeni yönlendirme protokollerinin üzerine bir ara düğüm oluşturmayı gerektirecektir.

Ve ülkeler, ilk etapta dolanıklığı tesis etme konusunda farklı teknolojileri tercih ediyor. Çin uydu teknolojisini seçerken, fiber optik, şu anda dolanık kübitleri ayıran mesafeyi artırabilecek bir kuantum tekrarlayıcı şebekesi oluşturmaya çalışan ABD Enerji Bakanlığı tarafından tercih edilen bir yöntem.

ABD’de yapılan bir deneyde, parçacıklar, kuantum tekrarlayıcılara ihtiyaç duymadan, 52 millik bir "kuantum döngüsü" boyunca optik fiber aracılığıyla dolaşık halde kaldı. Şebeke, yakında 80 millik bir kuantum test ortamı oluşturmak için ABD Enerji bakanlığının laboratuvarlarından birine bağlanacak.

Kuantum araştırmacıları için hedef, şebekeleri önce ulusal, daha sonra da uluslararası düzeyde ölçeklendirmektir. Bilim adamlarının büyük çoğunluğu, bunun birkaç on yıldan önce gerçekleşmesinin pek mümkün olmadığı konusunda hemfikir. Kuantum internet şüphesiz çok uzun vadeli bir projedir ve önünde birçok teknik engel bulunmaktadır. Ancak teknolojinin kaçınılmaz olarak yol açacağı beklenmedik sonuçlar, şu anda tahmin bile edilemeyen çok sayıda tuhaf kuantum uygulamasıyla tamamlanmış, paha biçilmez bir bilimsel yolculuk yapacaktır.

Bununla ilgili olarak aşağıda verdiğim bilgiler yukarıda ifade edilen çalışmaların ne kadar önemli olduğunun, ülkelerin kuantum ArGe’sine ne kadar büyük kaynaklar ayırdığının ve araştırmaların son derece hızlı ilerlediğinin en güzel kanıtı olacaktır.

2019 yılı Eylül Ayında Google ve IBM'in en gelişmiş kuantum bilgisayarlarının kapasitesi, şu anda, kuantum araştırmalarının problemleri çözmek için umduğu olağanüstü hesaplamaları gerçekleştirmek amacıyla gerekenden çok daha az olan 53 kübit kapasitesine sahipti.

Eylül 2020’de yani 1 yıl sonra, British Columbia, Kanada merkezli bir kuantum bilgisayar şirketi olan D-Wave Systems Inc., (D-Wave, operasyonlarında kuantum etkilerinden yararlanmak için bilgisayar satan dünyadaki ilk şirkettir) o tarihe kadar ki en yeni ve en güçlü kuantum bilgisayar modelini tanıttı., D-Wave yeni makinesinin bir kuantum bilgisayardaki temel bilgi işlem birimi olan 5.000 kübite sahip olduğunu ve bu kübitlerin her birinin diğer 15 kübitle bağlantılı olduğunu söylemiştir. D-Wave'in yeni kuantum bilgisayarı, otomobil üreticisi Volkswagen ve danışmanlık firması Accenture tarafından fabrika operasyonlarını düzene sokma, lojistiği iyileştirme ve yeni potansiyel ilaçlar bulma gibi görevler için zaten kullanılmaktaymış.

3 Aralık 2020’de, IBM Thomas J Watson Araştırma Merkezi ekibine liderlik eden bir bilim adamı ve yönetici olan Jay M. Gambetta, attığı bir tweet ile 64 kuantum hacmine (*) ulaştıkları aynı kuantum bilgisayarını kullanarak (IBM Q System One- Montreal) yakın zamanda 128 kuantum hacmine ulaştıklarını ve kuantum devrelerinin kalitesinde 2020 yılındaki ilerlemenin şaşırtıcı olduğunu duyurmuş.

(*): Kuantum Hacmi, klasik bir bilgisayarın transistör sayısı gibi, günümüzün kuantum bilgisayarlarının performansını kapsamayı amaçlayan bir sayıdır.

Mart 2021’de Amerikan Honeywell Firması “Kuantum Hesaplama Performansında” yeni bir rekor kırdı. Performans yükseltmeleri sayesinde Honeywell System Model H1, belirtilen tarihe kadar ticari bir kuantum bilgisayarda ölçülen en yüksek değer olan 512 kuantum hacmine ulaşmış ve böylece Honeywell Firması kuantum hacmi açısından dokuz ay içinde üçüncü kez rekor kırmıştır.

5 Temmuz 2021, Çin'deki bir ekip, önceki rekor sahibi Google'ı geçerek dünyanın en güçlü kuantum bilgisayarına sahip olduğunu duyurdu. Hefei'deki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Jian-Wei Pan ve meslektaşları, kuantum bilgisayarlarının, dünyanın en güçlü klasik süper bilgisayarının sekiz yılda çözeceği bir sorunu bir saatten biraz fazla bir sürede (yaklaşık 70 dak.) çözdüğünü söylediler.

15 Temmuz 2021, Almanya Başbakanı Angela Merkel, 15 Temmuz Salı sabahı Avrupa'nın Almanya'nın Ehningen kentinde inşa edilmiş en yeni ve en güçlü kuantum bilgisayarının tanıtımına katılarak bir konuşma yapmış. Merkel, Almanya’nın önümüzdeki 5 yıllık süreçte kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesi için 2 Milyar € (2.4 Milyar $) fon ayırdıklarını duyurmuş. Bu Avrupa’nın en güçlü kuantum bilgisayarı IBM ile Avrupa'nın en büyük uygulama odaklı araştırma kuruluşu olan Alman Fraunhofer Enstitüsü arasındaki işbirliği sonucu gerçekleştirilmiştir.

Evet sevgili okurlarımız, 2 yıl gibi bir süre içinde kuantum bilgisayarlarındaki gelişmeleri ana hatlarıyla kısaca özetlemeye çalıştım. Bundaki amacım kuantum haberleşmesi, kuantum internet ve özellikle de kuantum bilgisayarı konularının ne kadar önemli olduğunu ve ülkelerin bu çalışmalara ne kadar büyük kaynak ve emek harcadıklarını anlatmaktır. Eğer yarına yatırım yapmaz, gelecek teknolojilerle ilgilenmez ve zaman ile kaynaklarınızı alakasız ve ülkenin faydası yerine sadece gösteriş ve boş işler için harcarsanız gelecekte de bu konulara önem veren ülkelere teknoloji olarak muhtaç olur, bin bir zorlukla elde ettiğiniz döviz gelirlerinizi de cep telefonu, bilgisayar, haberleşme donanımları vs gibi ürünler için kat be kat bu ülkelere geri ödersiniz.

Hepimizin bildiği gibi buna en güzel örnek, bir Türk Bilim Adamının 2008 yılında Almanya’da kurduğu BioNTech Firmasıdır. 9 Ağustos 2021 tarihinde firmanın kendisinin açıklamış olduğu 2021 yarı yıl finansman raporuna göre; 21 Temmuz 2021 itibari ile 2,2 milyar dozluk halihazırda imzalanmış tedarik sözleşmelerinin teslimi üzerine 2021 mali yılı için BioNTech'in tahmini COVID-19 aşı gelirleri 15,9 milyar yani nerdeyse 16 Milyar Euro'ya (18,72 Milyar $) ulaşmaktadır.

Ülkemizin 2019 yılında rekor seviyesinde olan toplam turizm gelirinin 34.5 Milyar $ olduğunu ve sadece Almanya’da tek bir şirketin toplam bir yıllık gelirinin bizim 2019 yılı turizm gelirimizin yarısına eşit olduğunu düşünecek olursak, teknolojiye yapılan yatırımın ne kadar önemli olduğunu söylemeye bile gerek yoktur, değerli okurlarımız!..