Halen dünyanın birçok ülkesinde uzmanlar kuantum bilgi teknolojilerinin uygulaması üzerinde çalışmaktadırlar. Bu çalışmaların en önemlilerinden biri ışık ile ilgili olandır: İleriye bakıldığında, ışık kuantumları veya fotonlar olarak da bilinen tek ışık paketleri hem kodlanmış hem de etkin bir şekilde akarak verileri iletebilir. Bu amaçla, kontrollü bir şekilde ve isteğe bağlı tek ışık kuantumu yayan yeni foton kaynakları gereklidir.

Silikonun, kuantum iletişimi için uygun özelliklere sahip tek foton kaynaklarını barındırabildiği ancak son zamanlarda keşfedildi. Bununla birlikte kaynakların modern fotonik devrelere nasıl entegre edileceğini kimse bilmiyordu.

Eylül 2022’de ilk defa, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Almanya-Dresden merkezli bir araştırma laboratuvarı liderliğindeki bir ekip silikon nano-sütunları kullanan uygun bir üretim teknolojisi sundu: Kimyasal Aşındırma Yöntemi Ve Ardından İyon Bombardımanı.

 “Telekomünikasyon alanında silikon ve tek foton kaynakları, optik fiberler ile kuantum haberleşmesinin gelişimini hızlandıracak kayıp halkalardan biriydi. Şimdi bunun için gerekli ön koşullarını yarattık," diye açıklıyor HZDR de mevcut çalışmayı yöneten Dr. Yonder Berencén. Tek foton kaynaklarının elmaslar gibi materyallerden üretilmiş olmasına rağmen, optik fiberlerde çoğaltmak için pratik amaçlarda dikkate değer avantajlara sahip olan doğru dalga boylarında ışık parçacıkları sadece silikon tabanlı kaynaklarca üretilir. Araştırmacılar bu teknik buluşu, silikonu bir yonga üzerinde işlemek için geleneksel kuru aşındırma teknikleri yerine MacEtch (Metal destekli kimyasal aşındırma) olarak bilinen ıslak aşındırma tekniğini seçerek başardılar. Buradaki temel hedef fiber optik şebekelerle uyumlu tek foton kaynağını oluşturmaktır.

Araştırmacılar, MacEtch yöntemini kullanarak, başlangıçta potansiyel bir ışık dalgası yönlendirme yapısının en basit biçimini üretti: Bir yonga üzerinde silikon nano-sütunlar. Araştırmacılar daha sonra tamamlanmış nano-sütunları, tıpkı büyük bir silikon blokta olduğu gibi karbon iyonlarıyla bombardıman ederek bu suretle gömülü foton kaynaklarını üretmişler. Yeni tekniği kullanmak, nano-sütunların boyutunun, aralığının ve yüzey yoğunluğunun modern fotonik devrelerle uyumlu olacak şekilde hassas bir şekilde kontrol edilip ayarlanabileceği anlamına gelmekteymiş. Böylece milimetrekare yonga başına, binlerce silikon nano-sütun, kaynaklardan gelen ışığı sütunlar boyunca dikey olarak yönlendirerek iletmekte ve paketlemektedir.

Araştırmacıların nihai amacı, tek bir foton kaynağından fotonik elemanlar aracılığıyla tek bir foton detektörüne kadar tüm temel yapı taşlarını tek bir yonga üzerinde birleştirmek ve daha sonra modüler bir kuantum şebekesi oluşturmak için ticari optik fiberler aracılığıyla çok sayıda yongayı birbirine bağlamaktır.

Gelişmiş ülkelerin sadece bu konuda ayırmış oldukları para miktarları, kuantum teknolojilerine atfedilen yenilik potansiyeli hakkında çok şey söylüyor. Tanınmış risk sermayesi fonlarının küresel taahhütlerine ek olarak, milyarlarca dolarlık kamu kaynağı da ulusal ve uluslararası araştırma fonlarına kuantum konusundaki Ar-Ge faaliyetleri için aktarılıyor.

Örneğin, Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı, 2,6 milyar €’luk bir kuantum teknolojisi fonu kurmuş. AB Kuantum Amiral Gemisi Girişiminin en az 1 milyar €’luk bir bütçesi var ve ABD Ulusal Kuantum Girişimi Yasası'nın emrinde 2 milyar ABD doları var.

Kuantum etkileri günlük hayatımızın bir parçası haline geldi. Örneğin modern akıllı telefonlar, ağırlıklı olarak flash bellek yongalarında olmak üzere birkaç yüz milyarlarca transistor içerir. Bunların işlevleri- akımları ve gerilimleri kontrol etmek suretiyle yarı iletkenlerin kuantum mekaniksel özelliklerine dayanır. İlk nesil, doğal kuantum etkilerinden yararlanır. Buna karşılık, ikinci nesil kuantum teknolojisi, bireysel kuantum durumlarını yaratmaya ve kontrol etmeye dayanmaktadır.

Dünyamız ikili kodlarla kontrol edilmekte. Geleneksel bilgisayarlar birler ve sıfırlar, doğru ya da yanlış, kapalı ya da açık silsilesi olarak verileri işler. Bu basit bir metin işlemeden metaverse’de sanal gerçekliğe kadar her şeyde uygulanır. Fakat çalıştığımız ve yaşadığımız dünya artan şekilde karmaşıklaşmaya doğru gitmekte. İşlenmesi gereken veri miktarı hızlıca büyümekte. Sayısal olarak üretilen verinin yıllık hacmi 2012 ve 2020 yılları arasında on misli artmıştır. Tahmin edilen veri miktarı 180 zettabayttan fazladır – veya daha bilindik terimlerle 180 trilyon gigabayttır.

Bu nedenle, geleneksel bilgisayarlar aşılamaz iki engelle karşı karşıyadır: Zaman ve karmaşıklık. Veri hacmi ne kadar büyük olursa, bu verileri sırayla işlemek için o kadar fazla zamana ihtiyacınız olur. Problem ne kadar karmaşıksa, yalnızca iki durumlu ikili kodun verimli bir şekilde çözüm hesaplayabilme olasılığı o kadar düşüktür. Kuantum bilgisayarlar, modern fiziğin iç görüleri sayesinde her iki engeli de aşma potansiyeline sahiptir.

Geleneksel bitler gibi, kuantum bitleri (kübitler) de kuantum mekaniksel bellek birimlerini oluşturur. Ancak kuantum bitleri sıfırlar ve birlere ek olarak, üst üste binmiş, karışık durumlarda varsayılır. Bu eşzamanlılık, temel bir teknolojik paradigma değişimini temsil eder. Artık geleneksel sıralı hesaplama yöntemlerini aynı anda çalıştırabiliyoruz, bu nedenle bir kuantum bilgisayarı bizlere çok fazla zaman kazandırabilir.

Ama her şeyden önce, yeni kuantum mekaniği yaklaşımı, yeni ve çok daha karmaşık soruları işlememize imkân tanımakta. Ancak, bu bir ya-ya da kararı değil ya geleneksel işlem gücü ya da kuantum hesaplamadır. Bunun yerine önemli olan, yapılan işe bağlı olarak mevcut ve kuantum sistemlerini birlikte entegre etmektir.

Kuantum dünyasında, bir parçacık aynı anda iki yerde olabilir. Sadece gözlemlendiğinde, örneğin ölçerek konumunu daraltabilirsiniz. Diğer bir deyişle parçacığın gözlemlenene kadar kesin bir yeri yoktur. Bu olağan dışı özellik aynı zamanda son derece dengesiz olmasının da nedenidir. Hataya çok açık olabilen ayrı ayrı fiziksel kübitleri kullanmak yerine, birden çok kübit mantıksal bir kübitte gruplanır. Bununla birlikte, buradaki zorluk, protein katlanması (*) gibi pratik soruları yanıtlamak için bir milyon kadar mantıksal kübit içeren kuantum sistemlerine ihtiyaç duymanızdır. Mantıksal bir kübit, 100 adete kadar fiziksel kübit içerebilir, ancak en yüksek işleme kapasitesi şu anda yalnızca 127 fiziksel kübittir.

(*): Protein katlanması, proteinin temel yapı taşları olan aminoasitlerin değişik formatlarda birleşerek ne gibi dizilimlerde olduklarını bilgisayar simülasyonu ile irdelenmesidir.

9 Kasım 2022’de IBM, selefinin üç katından fazla sayıda kübit ile donatılmış bir kuantum işlemcisini tanıttı. Big Blue, süper iletken devrelere dayanan 433-qubit Osprey işlemcinin, herhangi bir klasik bilgisayarın hesaplama kapasitesinin çok ötesinde karmaşık kuantum hesaplamaları yapma potansiyeline sahip olduğunu iddia ediliyor. IBM araştırma direktörü Darío Gil “Daha önce çözülemeyen sorunları çözmek için kuantum bilgisayarların kullanılacağı noktaya bizi bir adım daha yaklaştırıyor, bu çalışma, gelecek kuantum merkezli süper bilgi işlem çağı için temel oluşturacak" dedi.

IBM, 2016 yılında bulut aracılığıyla 5 kübitlik bir kuantum bilgisayarı kullanıma sundu. O zamandan beri, aşağı yukarı yılda bir kez yükseltmeler sundu. Geçen yıl, dikkatler 127 kübitlik Eagle üzerindeydi ve gelecek yıl Condor'un 1000 kübitlik engeli aşması planlanıyor. Mevcut yol haritası, şirketi 2025'in sonuna kadar 4150 kübitin üzerine çıkarıyor.

Kuantum bilgisayarlar, işlem verimliliğinin sınırlarını zorlama potansiyeline sahiptir. Ancak bu, güvenli iletişim de dahil olmak üzere bazı sıkıntılar yaratmakta. 1990'ların başında, yüksek performanslı kuantum bilgisayarları kullanarak geleneksel kripto algoritmalarını kırabilecek ilk uygulamaların başlamasıyla birlikte bu durum ortaya çıkmıştır.

Buna karşın bir takım alternatif şifreleme yöntemleri öne çıkmaya başladı. Gerçekte iki ana yaklaşım vardır. İlki tamamen geleneksel şifreleme yöntemlerini içeren kuantum-sonrası şifrelemesidir ve tek bir önemli farkı vardır: bunlar kuantum bilgisayarlarının saldırısından zarar görmezler. Bu yaklaşımda kullanılan algoritmalar, şu anda kuantum veya geleneksel bilgisayarlar kullanılarak etkili saldırıların bilinmediği teorik varsayımlara dayanmaktadır.

Diğer yaklaşım, kuantum anahtar dağıtımı (QKD) ile ilgilidir. Giderek sayısallaşan bir dünyada, özel sektör müşterileri ve özellikle devlet kullanıcıları, güvenilir IT güvenlik çözümlerine bağımlıdır.

Bu yenilikçi çözümler, kriptolojinin odak noktasını değiştiriyor. Geleneksel yöntemler ve daha yeni olan kuantum sonrası yöntemler, matematiksel varsayımlara, yani belirli görevlerin yeterli verimlilikle hesaplanamayacağı fikrine dayanır. Kuantum anahtar dağıtımı, aksine, fiziksel ilkelere dayalıdır.

Amaç bu simetrik anahtarları güvenli bir şekilde dağıtmaktır. Bu, milyonlarca ayrı fotonun fiber optik kablo gibi bir optik bağlantı yoluyla iletilmesiyle yapılır. Her fotonun kendi rastgele kuantum durumu vardır. Fotonları okumaya veya kopyalamaya yönelik herhangi bir girişim bu durumu değiştirecektir. QKD protokolleri, fotonları gözlemlemeye yönelik herhangi bir dış girişimin iletimi kesintiye uğratacağı ve her kesintinin algılanacağı şekilde tasarlandığından, bu durum değişikliği güvenilir bir şekilde tespit edilebilecektir.

İlk QKD cihazları öncelikle fizik çalışma grupları tarafından geliştirildi ve ticarileştirme çalışmaları birkaç yıldır devam ediyor. Halen dünyada birçok şirket QKD araştırma projeleri ile güvenlik çözümleri ve güvenli cihazlar ve sistemler oluşturma ve uygulama konusundaki deneyim ve çalışmalarını sürdürmektedir. Kuantum şifreleme hala rafine edilmekte ve geliştirilmekteyken, kendisinden önce gelen her şeyden çok daha üstün olduğu şimdiden belli.

Şimdilik, bu teknoloji birçok insan ve işletme için "yeni" bir oluşum. Çoğu kullanıcı hala kuantum olmayan uygulamalara güveniyor, ancak teknoloji büyük bir hızla ilerliyor ve onunla birlikte daha gelişmiş veri şifrelemesine duyulan ihtiyaç da artıyor. 

Kuantum bilişim ana akım haline geldikçe, kuantum kriptografi hem kamu hem de özel sektör tarafından en çok aranan teknolojilerden biri olacak.