Çevrim içi yaşam hâlâ savunmasız; siber suçlular, finansal hesaplara erişmek ya da bireylerin kimliğine bürünmek konusunda her geçen gün daha fazla imkâna sahip. Yapay zekânın yükselişi, saldırganlara daha karmaşık ve hedefe yönelik ihlaller gerçekleştirme olanağı sundu.
Bu noktada kuantum kriptografi, potansiyel bir çözüm olarak öne çıkıyor. Bu yaklaşım, bilgiyi korumak için kuantum fiziğinin temel ilkelerini kullanıyor ve dışarıdan birinin veriyi ele geçirmesini neredeyse imkânsız hâle getiriyor. Ancak, işleyen bir kuantum interneti kurmak için gerekli teknolojilerin geliştirilmesi hâlâ büyük bilimsel zorluklar içeriyor.
Stuttgart Üniversitesi Yarıiletken Optiği ve Fonksiyonel Arayüzler Enstitüsü’ndeki (IHFG) bir ekip, bu ağın temel bileşenlerinden biri olan "kuantum tekrarlayıcı" konusunda önemli bir ilerleme kaydettiklerini açıkladı. Bulguları Nature Communications dergisinde yayımlandı.
“Iki farklı kuantum noktasından (quantum dot) gelen fotonlar arasında kuantum bilgisini ilk kez başarılı bir şekilde aktarmayı başardık,” diyor IHFG Başkanı ve Quantenrepeater.Net (QR.N) araştırma projesinin başkan yardımcısı Prof. Peter Michler.
Bu başarının önemini kavramak için dijital iletişimin nasıl çalıştığını hatırlamak yararlı olur. Mesaj gönderirken ya da video izlerken, veriler sıfır ve bir dizileri olarak iletilir. Kuantum iletişimde de temel fikir aynıdır, ancak bilgi bireysel fotonlarla taşınır. Sıfır ya da bir, fotonun polarizasyonuna (yani yatay ve dikey yönlerdeki ya da her ikisinin süperpozisyonundaki yönelimine) kodlanır. Fotonlar kuantum mekaniği yasalarına göre davrandığı için, polarizasyonları dışarıdan müdahale olmadan incelenemez. Sinyale yapılan herhangi bir müdahale tespit edilebilir izler bırakır, bu da yetkisiz erişimi görünür kılar.
Ancak bir başka büyük engel daha var. Pratik bir kuantum interneti, bugünkü dijital ağlar gibi optik fiberlere dayanacaktır. Ancak ışık belli bir mesafeden sonra zayıflar. Normal veri sinyalleri yaklaşık her 50 kilometrede bir optik amplifikatörlerle yenilenir.
Bu yöntem kuantum iletişiminde kullanılamaz, çünkü kuantum durumları klasik yollarla kopyalanamaz ya da güçlendirilemez. Bunun yerine kuantum fiziği farklı bir çözüm sunar: Bilgi, doğrudan açığa çıkarılmadan bir fotondan diğerine aktarılabilir; bu işleme kuantum ışınlanma (teleportation) denir.
Bu yaklaşıma dayanarak fizikçiler, kuantum bilgisini optik fiberde yok olmadan önce yenileyebilen kuantum tekrarlayıcılar geliştiriyor. Bunlar kuantum internetin düğüm noktaları olarak hizmet edecek. Ancak bu alanda teknik zorluklar oldukça fazla.
Işınlama ile bilgi aktarımı için fotonların aynı özelliklere sahip olması (zaman profili ve renk gibi) gerekir. Bu durum, fotonlar farklı kaynaklardan geldiği için oldukça zorlayıcıdır. “Farklı kuantum noktalarından gelen ışık kuantalarının daha önce hiç ışınlanmamış olmasının sebebi, bu işlemin teknik olarak çok zor olmasıydı,” diyor çalışmanın başyazarı IHFG’den bilim insanı Tim Strobel. QR.N kapsamında, neredeyse aynı fotonları üretebilen yarıiletken ışık kaynakları geliştirdiler.
“Bu yarıiletken adacıklarda, tıpkı atomlardaki gibi sabit enerji seviyeleri bulunur,” diyor Strobel. Bu sayede tanımlı özelliklere sahip bireysel fotonlar istenildiğinde üretilebiliyor. “Dresden’deki Leibniz Katıhal ve Malzeme Araştırma Enstitüsü’ndeki ortaklarımız, birbirinden yalnızca çok az farklılık gösteren kuantum noktaları geliştirdi.”
Bu sayede iki farklı noktada neredeyse özdeş fotonlar üretilebiliyor.
Stuttgart Üniversitesi’ndeki ekip, bir kuantum noktasından gelen bir fotonun polarizasyon durumunu, başka bir kuantum noktasından gelen bir fotona ışınlamayı başardı. Bir kuantum noktası tekil bir foton, diğeriyse dolanık bir foton çifti üretiyor. “Dolanık” terimi, iki parçacığın fiziksel olarak ayrılsalar bile tek bir kuantum varlığı oluşturduğu anlamına gelir. Bu çiftin bir parçası ikinci kuantum noktasına gönderilir ve onun ışık parçacığıyla girişim yapar. Bu iki foton üst üste biner.
Bu süperpozisyon sayesinde, tekil fotonun bilgisi, çiftin diğer uzak parçasına aktarılır. Deneyin başarısı için gerekli olan kuantum frekans dönüştürücüler, fotonlar arasındaki frekans farklarını dengelemek için kullanıldı. Bu dönüştürücüler, Saarland Üniversitesi’nden kuantum optik uzmanı Prof. Christoph Becher liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirildi.
“Farklı kuantum noktalarından gelen fotonlar arasında bilgi aktarımı, daha büyük mesafeleri aşmak için kritik bir adımdır,” diyor Michler.
Stuttgart deneyinde kuantum noktaları yalnızca yaklaşık 10 metre uzunluğunda bir optik fiberle ayrılmıştı. “Ancak çok daha uzun mesafelere ulaşmayı hedefliyoruz,” diyor Strobel.
Ekip daha önce, kuantum noktasından gelen dolanıklığın Stuttgart şehir merkezinden geçen 36 kilometrelik bir iletimden sonra bile bozulmadan kaldığını göstermişti. Bir diğer hedef, şu anda %70’in biraz üzerinde olan ışınlanma başarı oranını artırmak. Kuantum noktasındaki dalgalanmalar, hâlâ fotonlar arasında küçük farklılıklara yol açıyor.
