Etik Beyan
Bu makaledeki bilgilerin bir kısmı kendi yüksek lisans tez çalışmamdan alınmıştır. Kullanılan harici kaynaklar burada ve ilgili tez çalışmasının referanslar kısmında bildirilmiştir.
Özet
Günümüzde popüler bilim mecralarında genellikle kuantum bilgisayarlar ve kuantum şifreleme üzerine yapılan çalışmalar aktarılmaktadır. Fakat kuantum mekaniğinin çalışma alanı sadece hesaplama sistemleri ve şifreleme sistemlerinin ötesindedir. Bu makalede, mümkün olduğunca geniş bir çerçevede kuantum teknolojilerini, bu teknolojilerin mevcut durumunu, kullanılmasının önündeki engeller ve ülke olarak sahip olmamız gereken öncelikli teknolojiler ele alınmıştır..
Kuantum Teknolojileri Nelerdir?
Kuantum mekaniğinin özelliklerine, özellikle de kuantum dolaşıklık, kuantum süperpozisyon ve kuantum tünelleme özelliklerine dayanan teknolojileri kapsayan bir fizik ve mühendislik alanıdır[1]. Ülkelerin öncelikli hedefleri arasında bu teknolojilerle güvenli iletişim, kuantum hesaplama ve kuantum sensörler üretmek bulunmaktadır. Avrupa, Amerika ve Asya’da bulunan birçok ülke ulusal kuantum araştırma programlarını duyurmuş ve bu alanda bütçeler ayırarak küresel yarışta yer edinmeye çalışmaktadırlar. Kamu kurumları ve kuruluşlarının yanı sıra özel sektörde de, Google, D-Wave Systems ve IBM gibi şirketlerbu alanda çözümler geliştirmektedirler [2].
Kuantum Teknolojileri Taksonomisi
Akademik literatürde kuantum teknolojileri taksonomisi konusunda maalesef açık bir anlaşma bulunmamaktadır. Bu nedenle kuantum teknolojileri üzerine farklı tanımlamalar ve kapsamlar içeren çalışmalarla bulmak mümkündür. Bu makalede, Çek Teknik Üniversitesi’nden teorik fizikçi Michal Krelina tarafından geliştirilen aşağıdaki taksonomiye dayalı olarak değerlendirmeler yapılacaktır [3].
Kuantum Hesaplama ve Simülasyonlar
- Kuantum Bilgisayarlar (dijital ve analog kuantum bilgisayarlar ve kuantum sistem simülasyonu, kuantum optimizasyonu gibi uygulamaları)
- Kuantum Simülatörleri (programlanamayan kuantum devreleri)
Kuantum İletişim ve Kriptografi
- Kuantum Ağı ve İletişim (kuantum ağı elemanları, kuantum anahtar dağıtımı, kuantum iletişimi)
- Kuantum Sonrası Kriptografi (kuantuma dayanıklı algoritmalar, kuantum rasgele sayı üreteci)
Kuantum Algılama ve Metroloji
- Kuantum Algılama (kuantum manyetometreleri, gravimetreler)
- Kuantum Zamanlama (kesin olarak zaman ölçümü ve dağıtımı)
- Kuantum Görüntüleme (kuantum radarı, düşük SNR görüntüleme, …)
Kuantum Teknolojilerinin Son Durumunun Değerlendirilmesi
Yukarıdaki taksonomi dışında, sağladığı fayda ve kullanım alanına göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma, teknolojileri açıkladığımız kısımdaki kullanım etkisini ifade ederken kullanılacaktır. Ayrıca ülkelerin öncelikle sahip olması gereken kuantum teknolojilerini de bu alanda ifade etmiş olacağız. [4].
- Sahip Olunmalı (Must have): gelecekteki teknolojik risklere karşı koruma sağlamak için uygulanması gereken kuantum teknolojileri (ör. kuantum sonrası kriptografi)
- Verimlilik (Effectiveness): mevcut teknoloji ve yöntemlerin etkinliğini artıran kuantum teknolojileri (örneğin; kuantum optimizasyonları, kuantum makine öğrenimi veya yapay zeka)
- Hassaslık (Precision): mevcut ölçüm teknolojisinin hassasiyetini artıran kuantum teknolojileri (örn. kuantum manyetometri, kuantum gravimetri, kuantum atalet navigasyonu, zamanlama)
- Yeni yetenekler (New capabilities): mevcut teknolojinin kapsamının ötesinde yeni yetenekler sunan kuantum teknolojileri (örneğin, kuantum radarı, kimya için kuantum simülasyonu, kuantum kripto analizi, kuantum anahtar dağıtımı)
Kuantum bilgisayarları değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: çok sınırlı sayıda fiziksel kübit ile ticari olarak temin edilebilir.
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler, verimlilik, hassaslık.
- Zaman beklentisi: 10 yıl içerisinde 1 milyon fiziksel kübit.
- Ana zorluklar: kübitlerin kalitesini iyileştirme (tutarlılık, hata direnci, geçit doğruluğu), kübit sayısını yükseltme, mantıksal kübitler.
Kuantum simülasyonlarını değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: geliştirme aşamasında algoritmalar, küçük ölçekli uygulamalar
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler (Kuantum kimyası hesaplamaları gibi)
- Zaman beklentisi: kısa vadeli, kullanılabilirlik kübit sayısıyla artar
- Gerekli kübit sayısı: ∼200 (örneğin; nitrojen fiksasyon problemi için)
Kuantum kriptografiyi değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: Algoritmalar hazır.
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler (örneğin; açık anahtarlı kriptografi şemalarının kırılması)
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede
- Gerekli kübit sayısı: 2048 bit RSA(asimetrik şifreleme algoritması) çarpanlarına ayırma için ∼6200 kübit, 256 bit ECDLP-tabanlı (Eliptik eğri kriptografisi) şifreleme için ∼2900 kübit
- Ana zorluk: gerekli olan mantıksal kübit sayısı
Kuantum arama ve kuantum yürüyüş mekanizmalarını değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: algoritmalar geliştirme aşamasındadır.
- Kullanım etkisi: Verimlilik (örneğin; daha hızlı arama)
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede.
- Gerekli kübit sayısı: ∼100, aranan sistem boyutuna bağlıdır.
- Ana zorluklar: gerekli olan fiziksel kübit sayısı.
Kuantum optimizasyonu değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: algoritmalar geliştirme aşamasındadır.
- Kullanım etkisi: verimlilik (örneğin, NP problemlerinin daha hızlı çözümü).
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede.
- Gerekli kübit sayısı: ∼ 100, problemin karmaşıklığına bağlıdır.
- Ana zorluklar: gerekli mantıksal kübit sayısı.
Kuantum doğrusal cebirini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: algoritmalar geliştirme aşamasındadır.
- Kullanım etkisi: verimlilik (örneğin; daha hızlı doğrusal denklem çözme)
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede.
- Gerekli kübit sayısı: çözülen sistem boyutuna bağlıdır.
- Ana zorluklar: gerekli mantıksal kübit sayısı.
Kuantum makine öğrenimi ve yapay zekâyı değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: algoritmalar geliştirme aşamasındadır.
- Kullanım etkisi: Verimlilik (örneğin; daha iyi makine öğrenimi optimizasyonları)
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede.
- Gerekli kübit sayısı: ∼100, aranan sistem boyutuna bağlıdır.
- Ana zorluklar: gerekli olan fiziksel kübit sayısı.
Kuantum ağını değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: Araştırma aşamasında (yalnızca güvenilir düğümlere sahip kuantum anahtar dağımı için ticari olarak mevcuttur).
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler, verimlilik (örneğin; ultra güvenli iletişim, kuantuma dayanıklı kriptografi).
- Zaman beklentisi: orta vadede.
- Ana zorluklar: kuantum tekrarlayıcı (repeater) ve ağ anahtarı (switch) (kuantum bellek).
Kuantum anahtar dağıtımı sistemlerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: piyasada mevcut (güvenilir tekrarlayıcılarla (repeater) beraber).
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler.
- Zaman beklentisi: kısa vadede.
- Ana zorluklar: güvenli kuantum tekrarlayıcı (kuantum bellek), fiziksel donanımın güvenlik sertifikası.
Kuantum-sonrası kriptografi sistemlerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: algoritmalar mevcuttur.
- Kullanım etkisi: sahip olunmalı.
- Zaman beklentisi: kısa vadede.
- Ana zorluklar: standardizasyon, entegrasyon.
Kuantum rastgele sayı üretici sistemleri değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: piyasada mevcut.
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler (gerçekten rasgele sayı üretimi).
- Zaman beklentisi: kısa vadede
- Ana zorluklar: artan bit hızı
Kuantum elektrik, manyetik ve atalet kuvvetleri algılama sistemlerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: henüz laboratuvar prototipi aşamasında.
- Kullanım etkisi: hassaslık, yeni yetenekler.
- Zaman beklentisi: kısa ve uzun vadede.
- Ana zorluklar: minyatürleştirme, soğutma.
Kuantum saatleri değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: laboratuvar prototipi aşamasında.
- Kullanım etkisi: hassaslık.
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede.
- Ana zorluklar: minyatürleştirme.
Kuantum radyo antenlerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: laboratuvar prototipi aşamasında.
- Kullanım etkisi: verimlilik.
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadede.
- Ana zorluklar: minyatürleştirme, soğutma.
Kuantum görüntüleme sistemlerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: laboratuvar prototipleri ve kavram kanıtı doğrulamaları aşamasında.
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler.
- Zaman beklentisi: kısa ve uzun vadeli.
- Ana zorluklar: geliştirilmiş çözünürlük, yüksek oranlı tek foton kaynakları.
Kuantum radar sistemlerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: laboratuvar prototipleri ve kavram kanıtı doğrulamaları aşamasında.
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler.
- Zaman beklentisi: uzun vadeli.
- Ana zorluklar: yüksek oranlı tek foton kaynağı, kuantum mikrodalga teknolojisi.
Diğer kuantum sensör ve teknolojilerini değerlendirdiğimizde:
- Mevcut durum: laboratuvar prototipi aşamasında.
- Kullanım etkisi: yeni yetenekler (Örneğin. kimyasal ve hassas akustik algılama gibi).
- Zaman beklentisi: kısa ve orta vadeli.
- Ana zorluklar: çözünürlük iyileştirme.
Yukarıda değerlendirilen kuantum teknolojileri arasında, ülkelerin ve özellikle Türkiye’nin odaklanması gereken alanın kuantum sonrası kriptografi (post-quantum cryptography / PQC) olduğunu düşünüyorum. Bu alan, hem savunma sanayi hem de özel sektördeki banka, sigorta gibi kişisel verileri içeren kurumlarda bir standart haline getirilebilir. ABD, bu konuda Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (National Institute of Standards and Technology / NIST) ile süreci yönlendirerek regülasyonu sağlamaktadır. NIST’nin PQC alanındaki çalışmaları ve bu alanda belirlediği standartlar hakkında bilgi almak için https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography bu web sayfasını ziyaret edebilirsiniz. Türkiye’nin de uygun bir değerlendirme sürecinden sonra kendi ulusal kuantum-dirençli şifreleme algoritmasını belirlemesi gerekmektedir.
Kuantum Dirençli Şifreleme Algoritmaları
NIST’nin şimdilik bu alandaki tercihleri aşağıdaki şekildedir. Eğer 2024 yılındaki nihai kararları değişmezse, kuantum sonrası kriptografi alanındaki ulusal standartlar aşağıdaki gibi olacaktır
- Açık Anahtarlı Şifreleme ve Anahtar Oluşturma Algoritmaları
- CRYSTALS-KYBER (https://pq-crystals.org/)
- Dijital İmza Algoritmaları
- CRYSTALS-DILITHIUM (https://pq-crystals.org/)
- FALCON (https://falcon-sign.info/)
- SPHINCS+ (https://sphincs.org/)
Aşağıdaki Tablo 1’de kuantum dirençli şifreleme algoritmalarını ve bunların türlerini inceleyebilirsiniz. Her ne kadar NIST tarafından seçilmese de kişisel önerim öncelikle NRTU (A Ring-Based Public Key Cryptosystem) algoritmasının değerlendirilmesi yönündedir. NRTU, ortak anahtar şifreleme sistemi olarak RSA (Rivest–Shamir–Adleman) ve eliptik eğri kriptografisine (ECC) kafes tabanlı bir alternatif sunar. NRTU algoritması, bir kafesteki en kısa vektör problemine dayanır ve kuantum bilgisayar kullanılarak kırılabildiği tespit edilmemiştir.
Kuantum Dirençli Şifreleme Algoritmalarının Karşılaştırılması [5]
Sonuç
Kuantum teknolojileri, disiplinler arası birçok alanda kullanılmakta ve bu alanlarda akademik çalışmalar hızla devam etmektedir. En büyük katkılarının uzay alanındaki çalışmalara sağlanabileceği düşünülmektedir. Türkiye için, bu alandaki çalışmaların yüksek maliyeti ve insan kaynağı sorunlarını göz önüne aldığımızda, yakın gelecekte dünyadaki akademik literatürü takip etmek ve üniversite iş birliklerinin ötesinde çalışmaların gerçekleştirilebileceği öngörülememektedir. Tek fotonlu kuantum şifreleme donanımları gibi ticarileşmiş çözümlerin yerlileştirilmesi ve/veya teknoloji transferleriyle ülkemize kazandırılması stratejik olarak fayda sağlayacaktır. Ülkemizdeki girişimcilik ekosistemi, stratejik ürünlerin geliştirilmesi konusunda sanayi oluşturamadığımız durumlarda ticari anlamda zorlu olabileceğinden bu alanda yeniden düzenlenmeli ve kuantum teknolojilerine ek hibe ve destekler sağlanmalıdır.
Önceki bölümlerde değerlendirdiğimiz kuantum teknolojileri arasında kuantum bilgisayarlar ve bu teknolojilerin oluşturabileceği riskler göz önüne alındığında, ülkemizde öncelikli olarak teşvik edilmesi gereken alanın kuantum-sonrası kriptografi olduğu sonucuna varılmıştır. Türkiye’de mevcut piyasada rekabet edebilecek seviyede bir kuantum bilgisayar geliştirmek şu an için mümkün gözükmemektedir. Bu nedenle Almanya’da IBM tarafından açılacak olan kuantum veri merkezi ile stratejik işbirliği anlaşmaları yaparak, belki de Avrupa’daki veri merkezine bağlı bir kuantum bilgi işlem merkezi Türkiye’de kurulabilir. Bu bilgi işlem merkezi üzerinden Asya ve Ortadoğu ülkelerine hizmet sağlanabilir. Bu sayede ülkemizde bu alanda çalışan akademisyenler ve öğrenciler, bu kuantum bilgi işlem merkezinden faydalanabilirler. Öneri olarak, İTÜ’ye bağlı olan Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama merkezine IBM’in bu kuantum bilgisayarı konumlandırılabilir.
Yazar: Hakan Damar
Redaktör: Hatice Boyar
Kuantum Teknolojileri üzerine diğer tüm yazılarımıza buradan ulaşabilirsiniz.
Referanslar:
[1] Chen, Rajasekar; Velusamy, R. (2014). Bridge Engineering Handbook, Five Volume Set, Second Edition. Boca Raton, FL: CRC Press. p. 263. ISBN 9781482263459.
[2] Focus on Quantum Science and Technology Initiatives Around the World, Edited by Rob Thew, Thomas Jennewein and Masahide Sasaki, Quantum Science and Technology (2019)
[3] Krelina, M. (2021). Quantum technology for military applications. EPJ Quantum Technology, 1-53.
[4] Damar, H. (2023). Advanced Electronic Warfare Systems for Hybrid Intelligence Wars (Master Thesis).
[5] Wikipedia. (2023, 08 29). Post-quantum cryptography.
