Kuantum Haberleşmede Veri Güvenliği

​​​​​Fotonların Ölçüm anındaki davranışları üzerinden bilginin güvenliği ve ‘hacklenemez’ Ağların Fiziği

Kuantum haberleşme, veriyi iletmek için geleneksel yöntemlerden farklı bir şekilde, kuantum mekaniğinin temel ilkelerini kullanan bir teknolojidir. Kuantum sistemlerin ‘hacklenemez’ olarak nitelendirilmesinin ardında, fotonların ölçüm anındaki davranışları yatar.

Foton

Işığın ve elektromanyetik radyasyonun en küçük yapı taşıdır. Enerji paketleri olarak da adlandırılırlar.

Günümüz veri iletim sistemlerinde ‘Sızılamayacak ağ yoktur’ algısının aksine, kuantum dünyasında işler, pek de günümüz dünyasında olduğu gibi yürümüyor. Bu durumu Heisenberg Belirsizlik İlkesi’yle açıklayalım:

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

 

​Bu görsel yapay zeka teknolojileri kullanılarak üretilmiştir.​

Werner Heisenberg tarafından 1927 yılında ortaya konan bu ilkeye göre; bir parçacığın konum ve momentumunu aynı anda sonsuz kesinlikle ölçmek fiziksel olarak imkansızdır. Matematiksel olarak bu ifadeyi denkleme dökmek gerekirse;

∆x . ∆p >= h/4π

Bu formülde;

∆x ifadesi konumdaki belirsizliği, ∆p ifadesi ise momentumdaki belirsizliği ifade ediyor. Burada matematiksel ifadelerle boğuşmadan özetlemek gerekirse;

‘Bir parçacığın nerede olduğunu ne kadar kesin bir şekilde bilirsek, ne yöne ve hangi hızla gittiğini o kadar az biliriz.’

Bu durum, doğanın dalga-parçacık ikiliğinden kaynaklanan matematiksel bir zorunluluktur.

1 adet elektronu, bir dalga paketi olarak düşünelim. Eğer dalga paketi çok dar ise, elektronun yerini tam olarak belirleyebiliriz. Ancak dar bir paket, farklı dalga boylarının birleşmesinden oluşur. Dalga boyu momentumla ilişkili olduğu için, momentum tamamen belirsizleşir. Eğer dalga tek bir frekansta ve sonsuza uzanıyorsa, momentumu tam olarak biliriz. Ancak bu durumda dalga her yöndedir, elektronun konumu belirsizdir. Yani kısaca, konumunu kesin olarak ölçebildiğimiz parçacığın hızını, hızını kesin olarak ölçebildiğimiz parçacığın konumunu ölçemeyiz. Konum ve hız aynı anda, aynı kesinlikle ölçülemez.

Fotonların Sırrı ve Seçim Zorunluluğu

 

​Bu görsel yapay zeka teknolojileri kullanılarak üretilmiştir.

Kuantum Anahtar Dağıtımı (QKD), kuantum fiziği prensiplerini kullanarak alıcı ve verici olarak iki tarafın birbiriyle tamamen güvenli ve gizli şifreleme anahtarları paylaşmasını sağlayan bir şifreleme yöntemdir. Verinin kendisinden ziyade, veriyi şifreleyecek anahtarın güvenli bir şekilde iletilmesini sağlar.

Kuantum sistemlerde bir sistemi ölçmek demek, o sisteme dokunmak, müdahale etmek demektir. Bu durum, sistemin mevcut durumunu bariz bir şekilde değiştirir.

Doğrusal Baz (+) -> Yatay/Düşey

Diagonal Baz (x) -> 45 derece/135 derece

Eğer bir foton diagonal bazda gönderildiyse ve hacker onu doğrusal bazda ölçmeye çalışırsa, Belirsizlik İlkesi devreye girer ve fotonun orijinal diagonal bilgisi yok olur. Bir hacker, hattan geçen fotonu gizlice okumak ve kuantum sistemine sızmak istediğinde hangi bazda ölçüm yapacağının kararını vermek zorundadır. Hacker, veriyi gönderen kişinin, veriyi hangi bazda kodladığını bilemez. Bunu ancak tahmin edebilir. Eğer yanlış bazı seçerse, fotonun kuantum durumunu bozar. Yani iletilen veri bozulur.

Peki hacker ya iletilen verinin hangi bazda kodlandığını doğru tahmin ederse ne olur? Hacker’ın başarısı, tahmin bazlı bir sisteme bağlı olduğu için, on binlerce hatta çok daha fazla foton gönderilerek anahtarın güvenli olması sağlanır.

1 foton için hacker’ın başarılı olma şansı %50

2 foton için hacker’ın başarılı olma şansı %25

10 foton için hacker’ın başarılı olma şansı %1

100 foton için hacker’ın başarılı olma şansı 0,0000000000000000000000000000008

Binlerce ve onbinlerce foton için hacker’ın başarılı olma şansı neredeyse hesaplanamayacak derecede küçüktür. Küçük bile olsa en ufak bir başarılı olma ihtimali matematiksel olarak olası gözükse de pratikte anlamsızdır.

Bu durum ‘Gözlemci Paradoksu’ ile şu şekilde açıklanır: Klasik evrende bir mektubun okunup okunmadığını, o mektuba bakarak anlamak mümkün değildir. Kuantum evreninde ise mektuba bakıldığı an, mektup ya kendini imha eder ya da mektubun içeriği değişir. Bu metafor, kuantum haberleşmenin güvenilirliğini anlatan bir açıklamadır.

‘Hacklenemez’ kavramı, matematiksel yaklaşımlara değil, fizik yasalarına dayandığı için teoride hacklenmesi mümkün değildir.

Klasik bilgisayarların bit’lerle haberleştiği yerde, kuantum haberleşmede kübit’ler kullanılır. Kübit, süperpozisyon sayesinde aynı anda hem 0 hem de 1 konumunda bulunabilir. Kuantum haberleşmesi gerçekleşen bir yapıda bir hacker, kuantum anahtarını ele geçirmeye çalışırsa, kübitlerin durumu bozulur gönderici bu bozulmayı fark ederek anahtarı iptal eder ve hacker’ın sisteme sızması sistemin doğası gereği engellenmiş olur.

Sonuç

Doğa, kuantum seviyesinde kusursuz tahmin için izin vermez. Hacker birkaç savaşı kazanmış gibi olasılık dahilinde de olsa gözükebilir ama kuantum evrenindeki fiziğin istatistik yasaları nedeniyle bilgi savaşını her zaman kaybeder.