Savunma ve güvenlikte kuantum teknolojileri

“İlk kez kuantum teorisi ile karşılaşıp da şaşırmayan biri büyük olasılıkla bu teoriyi anlamamış demektir.” (Niels Bohr)

“Eğer kuantum mekaniğini anladığınızı sanıyorsanız, kuantum mekaniğini anlamıyorsunuz demektir.” (Richard Feynman)

“Evren bizim düşündüğümüzden daha garip olmakla kalmaz, düşünebildiğimizden de gariptir.” (Werner Heisenberg)

Bunlar tanınmış üç kuantum fizikçisinden alıntıdır. Sanırım kuantum mekaniğini anlamaya çalışmanın genellikle pazar günleri yaptığınız beyin egzersizlerinden biri olmadığını düşünenlerin bir hayli çok olduğunu söylememde bir sakınca yoktur. Ama kuantum mekaniği sadece akıllara durgunluk veren ve üzerinde düşünmeye değer bir konu değildir. Aslında, tam olarak anlamasak bile, kuantum mekaniğinin anladığımız kadarına dayanarak geliştirilen teknolojiler bugün hayatımızın içindedir.

Bilgisayarlarımız ve iletişim altyapılarındaki transistörler ve yarı iletkenler ‘birinci nesil’kuantum teknolojilerinin ilk örneklerindendir. Ama daha iyileri de gelecek.‘Süperpozisyon’ ve ‘dolanıklık’(aşağıda açıklanmaktadır) gibi bir kuantum olayını daha iyi anlamamızın sonucu olarak bugün ‘ikinci kuantum devrimi’ başlamıştır. Bu da yeni ve devrim yaratacak kuantum teknolojilerinin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır.

Bu teknolojiler gerek sivil gerek askerȋ amaçlar açısından muazzam yetenekler getireceğinden son yıllarda sanayi ve hükümetler kuantum teknolojilerine büyük ilgi göstermekteler. IBM, Google, ve Microsoft gibi büyük teknoloji şirketleri ‘kuantum üstünlüğü’ yarışında yerlerini alabilmek için kuantum hesaplaması alanındaki araştırma ve geliştirmelere yüz milyonlarca dolar harcıyorlar. Benzer şekilde, hükümetler de kuantum teknolojisi uygulamalarının değişim yaratma potansiyelini ve jeopolitik değerini görmüşlerdir. Bu doğrultuda, ABD, Avrupa Birliği ve Çin gibi ülkelerin her biri kendi araştırma programlarına bir milyardan fazla harcama yaptılar.

Kuantum teknolojilerinin arkasında yatan ilkeler

Kuantum mekaniği üzerinde fazla ayrıntıya girmeden bazı temel ilkeler üzerinde bilgi vermek kuantum teknolojilerinin potansiyel uygulamalarının daha iyi anlaşılmasına yardımcı olabilir.

Kuantum teknolojileri atomik ve atom altı ölçekteki fiziki olaylardan yararlanır. Bu atomik ölçekte dünyanın ‘deterministik’ yerine ‘olasılıkçı’ yapısı kuantum mekaniğinin temelini oluşturur.

Bu olasılık fikri Ekim 1927’de Brüksel’de yapılan Beşinci Solvay Fizik Konferansı, Albert Einstein ve Niels Bohr arasındaki meşhur kuantum tartışmalarının başlangıç noktası olmuştu. Bu konferansta yeni formülleştirilen kuantum teorisini tartışmak üzere 29 fizikçi (17’si daha sonra Nobel Ödülü kazandı) bir araya gelmişti.

Niels Bohr 1927 Solvay Konferansında bu “yüzyılın tartışması” olarak anılan tartışmada Werner Heisenberg’in formülleştirdiği yeni kuantum mekaniği teorisini savunurken Albert Enstein de deterministik sebep ve sonuç paradigmasını savunmuştu. Albert Einstein “Tanrı zar atmaz” savını ortaya sürmüş, Niels Bohr ise “Einstein, Tanrıya ne yapacağını söylemekten vazgeç” diyerek karşılık vermişti.

Bugün bilim dünyası tartışmayı Niels Bohr’un kazandığını kabul ediyor. Bu da dünyamızın sebep ve sonuca dayanan değişmez bir senaryosu olmadığı, tersine değişime açık olduğu anlamına gelir. Bir başka deyişle, evrende bilinecek ne varsa bilebilirsiniz ama biraz sonra ne olacağını bilemezsiniz.

Bu yeni olasılıklı paradigma, kuantum teknolojilerinin temelinde yatan bazı kuantum parçacıklarının – en başta ‘süperpozisyon’ ve ‘dolanıklık’ olmak üzere – önemli özelliklerinin daha iyi anlaşılmasına yardımcı oldu. Temel kuantum ilkelerinin daha iyi anlaşılır olması da bir sonraki nesil kuantum teknolojilerini hızlandırdı: kuantum algılama, kuantum iletişim, kuantum hesaplama.

Mevcut ve gelecekteki uygulamalar

Kuantum teknolojileri denilince kuantum hesaplaması her ne kadar en heyecan vericisi gibi gözüküyorsa da, bu konuda kuantum algılama ve kuantum iletişim gibi büyüleyici ve ümit vadeden muazzam alanlar da var.

Quantum algılama

Kuantum sensörleri ultra soğuk atomlar veya fotonlara dayanır ve belirli ‘kuantum durumlarında’ süperpozisyon veya dolanıklık kullanılarak dikkatle manipüle edilir. Kuantum durumları dış etkenlere karşı aşırı derecede duyarlı olduklarından kuantum sensörler ısı, hızlanma, yer çekimi veya zaman gibi farklı unsurlardaki en ufak farklılıkları bile ölçebilirler.

Kuantum algılaması ölçümlerimiz ve tespitlerimiz için dönüştürücü bir potansiyele sahiptir. Sadece daha net ve duyarlı ölçümler yapılmasını değil, bugüne kadar ölçemediğimiz şeyleri ölçmemizi de mümkün kılar. Birkaç örnek vermek gerekirse, kuantum sensörleri yeraltını haritalayarak ayağımızın altındaki zeminde tam olarak ne olduğunu anlamamızı sağlayabilir; yanardağ patlamalarında erken uyarı görevi yapabilir; otonom sistemlerin köşelerin ötesini görebilmelerini mümkün kılabilir; ve insanın beyin faaliyetlerini kontrol edecek taşınabilir tarayıcılar sağlayabilir (kaynak: Scientific American).

Kuantum teknolojileri her ne kadar geleceğin teknolojileri olarak görülebilirse de, halen kuantum sensörleri piyasada mevcuttur (örneğin, atom saatleri ve gravimetreler). İleriye bakarsak, beş-yedi yıl içinde kuantum algılama uygulamaların erişime açılacağını görebiliriz – özellikle Konumlama, Navigasyon ve Zamanlama ve radar teknolojileri alanlarında.

Kuantum iletişim

Kuantum iletişimin potansiyeli ‘ultra güvenli’ veri iletişimi sağlayacağı, hatta müdahale edilemeyeceği vaadine dayanır. Bugün veri transferleri ‘1’ler ve 0’lar’ı temsil eden elektrik sinyallerinin fiber kablolar üzerindeki akışlarına dayanır. Bu kablolara girmeyi başaran bir bilgisayar korsanı kablodan geçen ‘bit’leri okuyabilir ve kopyalayabilir. Öte yandan, kuantum iletişimde gönderilen bilgi bir kuantum parçacığı içinde ‘1’ ve ‘0’ın (kubit) süperpozisyonunda kodlanmıştır. Kuantum durumları dış etkenlere kaşı hassas olduğundan bir bilgisayar korsanı gönderilen bilgiyi çalmak için her hamle yaptığında kubit ‘1’e veya ‘0’a ‘düşer’ ve dolayısıyla kuantum enformasyonunu tahrip eder ve geride şüpheli bir iz bırakır.

Kuantum iletişimin ilk uygulamasına Kuantum Anahtar Dağılımı (KAD) denir. KAD, kriptografik anahtarların karşılık değişimi için kuantum parçacıkları kullanır. KAD’da veri geleneksel altyapı üzerinden normal bitler kullanılarak yapılır ama veriyi deşifre etmek için gereken kriptografik anahtarlar ayrı olarak kuantum parçacıklar kullanılarak gönderilir. KAD ile ilgili geniş kapsamlı araştırmalar başladı bile. Bu araştırmalarda kara ve uzay iletişiminden yararlanılıyor. 2016 yılında Çin, dünyanın ilk kuantum uydusu ‘Micius’u fırlattı. O günden beri Beijing ve Viyana arasında bir video konferansı (kaynak) gerçekleştirerek kıtalararası karadan uyduya ve uydudan karaya KAD iletişimini örnekledi.

Kuantum iletişimde bir sonraki adım kuantum ışınlama olacak. KAD’da kriptografik anahtarlar kuantum teknolojisi kullanılarak dağıtılırken, ‘kuantum ışınlamada’ dolanık kuantum çiftleri kullanılarak enformasyonun kendisi gönderilir. Kuantum ışınlamada bugüne kadar fiber optik kablo üzerinden ulaşılan en uzun mesafe 50 kilometredir ([kaynak] (https://qutech.nl/2019/09/16/national-agenda-on-quantum-technology-the-netherlands-as-an-international-centre-for-quantum-technology/)) ve önümüzdeki yıllarda en zorlayıcı sorun kuantum ışınlamayı daha uzun mesafelerde güvenli iletişim sağlayabilecek şekilde ölçeklendirmek olacaktır.

Kuantum iletişimin nihai hedefi bir kuantum internet yaratmaktır: temel fizik kanunlarının koruması altında ultra güvenli kuantum iletişimi ile birbirine bağlanmış dolanık bir kuantum bilgisayarlar ağı. Ancak bir kuantum interneti sadece büyük mesafelerde kuantum ışınlama gerektirmez, aynı zamanda kuantum işlemciler, internet protokolleri ve kuantum internet yazılım teknolojilerin de daha ileri düzeyde geliştirilmesini gerektirir. Bu gerçekten uzun vadeli bir girişimdir ve bu teknolojinin tam olarak ne zaman olgunlaşacağını söylemek zor olsa da, çoğu bilim adamı 10-15 yıl gibi süreden uygulamaları dâhil, geniş kapsamlı bir kuantum internet yığını gibi yardımcı söz ediyor.

Kuantum hesaplama

Kuantum hesaplama en karmaşık hesaplama problemlerinin bazılarını çözme kapasitemizi önemli ölçüde arttıracaktır. Nitekim kuantum hesaplama ile klasik hesaplama arasındaki fark, bir klasik bilgisayar ile abaküs arasındaki farkla aynıdır.

Yukarıda anlatıldığı gibi, klasik bilgisayarlar ikili sayıları (0 veya 1) kullanarak işlem yaparlar; kuantum bilgisayarlar ise veriyi kuantum bitler (kubitler) ile temsil ederler ve her iki değerin (aynı anda hem 0 hem 1) süperpozisyonuna geçebilirler.

Kubitler dış etkenlere karşı son derece hassas oldukları için onları kontrol ve manipüle edebilmek ve kullanabilmek için mutlak minimum ısı derecesine (veya sıfır Kelvin), yani 15 millikelvin dereceye kadar soğutulmaları gerekir. Bu ısı derecesi uzaydakinden bile daha soğuktur. Nitekim bir kuantum bilgisayarın içi tüm evrende bildiğimiz en soğuk yerdir.

Kubitler kuantum bilgisayarlarının aynı anda birçok işlem yapmalarına olanak sağlar ve klasik bilgisayarlara kıyasla işlemlerin etkinliğinde muazzam bir artışa yol açarlar. Kuantum bilgisayarların özellikle dönüştürülebileceği birçok uygulama vardır:

- Yeni ilaçların keşfedilmesi ve yeni malzeme tasarımı için fiziksel sistemlerin simülasyonu;

- Tedarik zinciri, lojistik ve finansta karmaşık optimizasyon problemlerinin çözümü;

- Yapay zekâ ile birlikte kullanılarak makine öğreniminin hız kazanması;

- Sık kullanılan siber güvenlik protokollerinin (örneğin RSA — güvenli veri gönderiminde kullanılan bir asimetrik şifreleme algoritması) şifrelerinin kırılmasına olanak sağlayan büyük tam sayıların faktörlere ayrılması.

IBM, Google ve Microsoft gibi dev teknoloji şirketleri ‘kuantumda üstünlük’ için yarışıyorlar: Kuantumda üstünlük, bir kuantum bilgisayarın bir klasik bilgisayar tarafından hiçbir zaman süresinde çözülemeyecek bir problemi çözdüğü noktaya deniyor.

Ekim 2019’da Google kendi 53-kubit bilgisayarında kuantum üstünlüğüne ulaştığını iddia etti. Ancak eleştirmenler Google’ın yaptığı deneyde çözülen problemin pratikte kullanımı olmadığını ve bu nedenle kuantum üstünlüğü yarışının halen devam ettiğini söylüyorlar.

Bugünkü kuantum bilgisayarlarında 60 civarında kubit bulunuyor, ancak gelişmeler hızla birbirini takip ediyor ve beklentiler bir hayli iddialı. IBM geçtiğimiz Eylül ayında kuantum bilgisayarlarının gelişimi konusunda bir yol haritası yayınladı; hedefi 2023 yılına kadar 1000 kubitlik bir kuantum bilgisayar yapmak (kaynak. Google’ın planı ise 2029’a kadar bir milyon kubitlik kuantum bilgisayar üretmek (kaynak).

Gürültülü Orta Ölçekli Kuantum bilgisayarları olarak adlandırılan 1000 kubitlik kuantum bilgisayarları ile malzeme tasarımı, yeni ilaçların geliştirilmesi veya lojistik gibi alanlarda önemli pratik uygulamaların ortaya çıkması bekleniyor. Bu nedenle önümüzdeki 5-10 yıl kuantum işlemleri açısından inanılmaz derecede heyecan verici olacak.

Savunma ve güvenlik konusunda getireceği sonuçlar

Kuantum teknolojileri çok önemli yeni yetenekler yaratma potansiyeline sahip - algılanamayanı algılamamız, siber güvenlikte siber riskleri hızla azaltabilmemiz ve daha önce asla çözemediğimiz problemleri çözmemizin mümkün olması gibi.

Savunma ve güvenlik alanında özellikle iki uygulamanın yakın ve uzun vadede çok önemli sonuçları olacak.

Bunlardan birincisi kuantum algılama. Kuantum sensörlerin umut verici bazı askerî uygulamaları var. Örneğin kuantum sensörler denizaltıları ve stealth uçaklarını tespit etmek ve Konumlama, Navigasyon ve Zamanlama için kullanılabilirler. Bu tür ‘kuantum Konumlama, Navigasyon ve Zamanlama araçları’ güvenilir eylemsiz navigasyon sistemleri olarak kullanılabilir ve GPS gibi dış referans noktalarına ihtiyaç duymadan navigasyona olanak sağlarlar. Bu da örneğin denizaltıların su altındaki navigasyonu açısından devrim niteliğinde bir yetenektir; ayrıca su üstündeki platformlarda GPS sinyalinin kaybolması durumunda destek navigasyon sistemi olarak kullanılabilirler.

Algılama, iletişim ve hesaplamanın dışında en gelişmiş teknoloji olan ilk kuantum sensörleri halen piyasada mevcut. Ayrıca sivil sektörün gelişmelere öncülük etmesi bekleniyor, zira kuantum iletişim ve hesaplama konusundaki bu gelişmeler sivil sanayi için muazzam potansiyel vadediyorlar. Ancak kuantum algılamada kuantum Konumlama, Navigasyon ve Zamanlama ve kuantum radarlar gibi potansiyel uygulamalar askerî açıdan özellikle ilgi çekici. Bu nedenle bu potansiyel uygulamaları gerçeğe çevirmek için yapılacak araştırma ve geliştirmeye fon sağlamak, desteklemek ve rehberlik etmek askeriyeye düşüyor.

İkinci uygulama ise kuantum işlemlerinin yarattığı ‘kuantum tehdidi’. Önceki bölümde değinildiği gibi, büyük tam sayıların faktörlere ayrılması kuantum bilgisayarların özellikle etkili biçimde çözebilecekleri bir problem türü. Dijital altyapımızın en büyük kısmı ve temel olarak çevrimiçi yaptığımız herşey –video konferans olsun, e-posta yollamak veya banka hesaplarımıza girmek olsun — bu tür tam sayıları faktörlere ayırma problemlerinin zorluğuna dayanan kriptografik protokoller vasıtasıyla şifreleniyor (örneğin RSA algoritması). Pratikte kullanılabilecek kuantum bilgisayarların daha da geliştirilmesi gerekiyorsa da, bu problemleri çözebilecek ve dijital iletişimin şifrelerini kırabilecek kuantum algoritma olan Shor algoritması daha 1994’de icat edildi ve onu çalıştırabilecek kuantum bilgisayarı bekliyor.

Basit gibi görünen bu matematik probleminin herhangi bir grafik hesap makinasıyla çözülebileceği düşünülebilir ama dünyanın en hızlı süper bilgisayarının bile bu problemi çözmesi evrenin tüm varoluş süresi kadar zaman alır. Bir kuantum bilgisayar ise bu problemi iki dakika içinde çözebilir.

Güvenli iletişim ve güvenli bilginin savunma ve güvenlik açısından büyük önem taşıyor olması nedeniyle, toplum ve özellikle de askeriye için bu acil bir tehdittir. Bu tehditle mücadele edebilmek için tüm güvenli dijital altyapımızı kuantum bilgisayar ataklarına karşı korumalı bir şifreleme kullanarak, yani hem kuantum hem de klasik bilgisayarlara karşı güvende olacak şekilde tümüyle güncellemeliyiz. Seçeneklerden biri kuantum iletişimin Kuantum Anahtar Dağılımının (KAD veya kuantum ışınlama) mükemmelleşmesini beklemek ve bu kuantum teknolojisini diğer kuantum teknolojilerine karşı korumak için kullanmak olabilir. Ancak zaman bizden yana değil. Kuantum işlem teknolojisi kuantum iletişimden kat kat daha hızlı gelişebilir; bu tehdit zaten daha şimdiden mevcut. Bilgisayar korsanları gelecekte kullanılabilecek kuantum bilgisayarları göz önünde bulundurarak bugün şifreli bilgiyi çalıp saklayabilirler ve 10-15 yıl sonra geleceğin kuantum bilgisayarını kullanarak şifresini çözebilirler.

Daha iyi bir seçenek ise Kuantum Sonrası Kriptografi, yani kuantum bilgisayarların bile çözemeyeceği yeni klasik (kuantum olmayan) kriptografik algoritmaları uygulamak. Halen ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) standart hale getirilecek ve dünya çapında benimsenecek Kuantum Sonrası Kriptografi algoritmalarını seçme konusunda uluslararası bir yarışmaya liderlik ediyor. Bu süreç 2016’da başladı ve Enstitü 2020’de yedi finalisti belirlediğini duyurdu.

Enstitünün standardizasyon konusundaki son seçmeleri 2022’nin başında tamamlaması ve geçerli standartları 2024’e kadar (kaynak) oluşturması bekleniyor. Çeşitli sanayiler ve askeriyedeki karar mekanizmaları bu tarihleri takvimlerine kaydetmeli, siber güvenlikte büyük bir güncellemeye hazırlık yapmaya başlamalı ve derhal işe girişilmesini garanti etmeliler.

Önümüzdeki yıllar

Kuantum teknolojisi ile ilgili araştırma ve geliştirme çalışmalarındaki yeni ilerlemeler askeriyeye heyecan verici yeni yetenekler kazandırma potansiyeline sahip. Sivil sanayi ve hükümetlerin kuantum teknolojileri konusuna duydukları büyük ilgi ve sağladıkları fonlar sayesinde teknolojinin olgunlaşması ve yeni kuantum uygulamalarının önümüzdeki 5-10 yıl içinde erişilebilir olması bekleniyor. Ancak Müttefik askerî kuvvetlerinin bu yeni kuantum teknolojilerinin semeresini görebilmeleri için Müttefiklerin bu alanda proaktif olarak angaje olmaları ve kuantum teknolojilerinin askerî uygulamalarının geliştirilmesine ve benimsenmesine rehberlik etmeleri gerekir. Bu da sadece büyük teknoloji devleriyle değil, aynı zamanda özellikle yeni teknolojilerde inovasyon açısından hayati önem taşıyan start-uplar, üniversiteler ve araştırma enstitüleri ile de angaje olmalarını gerektirir.
Müttefik askerî kuvvetleri, deneme ve doğrulama altyapısı (test merkezleri) ve son kullanıcı askerî operatörlere erişim sağlayarak sanayi ve akademik çevrelerdeki mevcut çabalara önemli bir katma değer getirirler. Bu teknolojilerle ilgili yapılacak erken denemeler sadece onların daha da gelişmelerine katkıda bulunmakla kalmaz aynı zamanda askeriyenin bu teknolojileri ve yeteneklerini yakından tanımasına yardımcı olarak gelecekte bunların benimsenmesini kolaylaştırır. Ayrıca kuantum ekosisteme aktif katılım askeriyenin özellikle de siber alan içindeki kuantum teknolojilerle ilgili riskleri daha iyi anlamasını sağlar.

Yazar: Michiel van Amerongen

Kaynak: NATO Dergisi