Kuantum teknolojilerinin son zamanlarda bilişimde devrim yaratacağı, tüm interneti hackleyeceği ve hatta gezegeni kurtaracağı öngörülüyor. İnsanlar neredeyse her şeyin önüne ‘kuantum’ kelimesini atıyor gibi görünüyor: bilgisayarlar, sensörler, hatta bir Marvel filmi.

Eğer kendinize “Kuantum nedir? Ve neden umursayayım ki?” diye soruyorsanız yalnız değilsiniz. Hiçbir zaman tek bir fizik (veya hatta yüksek seviye matematik) dersi almadım ve açıkçası, bunun böyle kalmasını tercih ederim. Bu yüzden yakın zamanda kuantum teknolojisi araştırma, geliştirme ve ticari genişleme için kolaylaştırıcıları araştıran bir projeye başladığımda, derinliğimin çok dışında olduğumdan korktum. Ancak tüm politika yapıcıların bilmesi gerektiği gibi, bir konunun önemini anlamak için her ayrıntısını bilmenize gerek yok.

Amacım bu yazının sonunda kesinlikle kuantum teknolojisinde uzman olmamanız. Bunun yerine, insanların kuantumdan bahsederken ne söylediklerine dair bir fikriniz olması ve bunun politika yapıcılar için neden önemli olduğunu anlamanız umudunu taşıyorum.

Peki ‘kuantum’ ne anlama geliyor?

İnsanlar kuantum bilişim, kuantum algılama, kuantum görüntüleme veya kuantum kriptografisi gibi kuantum teknolojilerinden bahsettiklerinde, genellikle kuantum mekaniğini belirli bir teknoloji alanına uygulayan bilimden bahsediyorlar. 

Kuantum mekaniği ifadesini daha önce duymuş olabilirsiniz. Bu ifade sizin için tamamen mantıklıysa ve kuantum teknolojisini tamamen açıklıyorsa lütfen devam etmekten çekinmeyin. Bu blog diğer herkes içindir.

Savunma Bilimi ve Teknolojisi Laboratuvarı’nın mükemmel bisküvi kitabında ifade edildiği gibi, “Kuantum mekaniği, atomların ve içlerindeki atom altı parçacıkların davranışlarını (eylemlerini ve etkileşimlerini) tanımlayan ve tahmin eden matematiktir.” Başka bir deyişle kuantum mekaniği çok ama çok küçük parçacıklara uygulanan matematiktir. Çok küçük parçacıkların davranışlarını anlamak için neden tamamen başka bir matematik alanına ihtiyacımız var? Basitçe söylemek gerekirse çok küçük parçacıklar her zaman daha büyük nesnelerle aynı fizik kurallarına uymaz (çoğumuzun daha aşina olduğu ve her gün gördüğü kurallar). Örneğin:

• Üst üste binme olgusu, tek bir kuantum parçacığının aynı anda iki yerde bulunabildiğini açıklar.
• İki atom altı parçacık birbirine dolanık hale geldiğinde, fiziksel olarak birbirlerinden çok uzakta olsalar bile birbirlerine bağlı kalabilirler.
• Kuantum tünelleme, bazı atom altı parçacıkların aşacak enerjileri olmadığı engelleri nasıl geçebildiğini açıklar.

Kaybolduğumda kendimi tekrarlarken bulduğum mantra şudur: kuantum mekaniği, şeylerin garip davrandığı anlamına gelir. Ve göreceğimiz gibi, sorunları çözmek için bu garip davranışları kendi lehimize çevirebiliriz.

Kuantum bilgisayarı nedir?

Kuantum teknolojisinin en çok ilgi gören (bazıları abartı olarak adlandırır) ve fon sağlayan alanı bilgi işlemdir. Bir kuantum bilgisayarı, hesaplamalı sorunları çözmek için kuantum mekaniğinin alışılmadık özelliklerini kullanmayı amaçlar.

Klasik (yani kuantum olmayan veya ‘normal’) hesaplamada, 1 veya 0’ı temsil eden ikili kod veya ‘bitler’ kullanırız. Ancak kuantum hesaplama, aynı anda 1, 0 veya her ikisini de temsil edebilen ‘kübitler’ kullanır. Bu, yukarıda belirtilen garip davranışlardan biri olan üst üste binmeden kaynaklanır.

Kuantum bilişim hala nispeten genç ve hızla değişen bir alandır. Araştırmacıların şu anda bu çok önemli kübitleri geliştirmek için denedikleri birçok farklı yol vardır ve hangi teknolojinin en iyi şekilde çalışacağı henüz belli değildir. Hatta belirli teknolojilerin belirli hesaplama türleri için en iyi şekilde çalışması bile mümkün olabilir. Kuantum bilişim etrafındaki abartıyı göz önünde bulundururken bu içsel belirsizliği akılda tutmak kritik önem taşır.

Kuantum teknolojisinin diğer çeşitleri nelerdir?

Kuantum bilişim en fazla ilgiyi görse de kuantum teknolojisinin diğer alanlarından gelen ürünler aslında pazara daha yakın ve bazı durumlarda zaten kullanımda.

Kuantum sensörleri bu tür bir ürün grubudur. Bunlara kuantum parçacıkları üzerindeki yer çekiminin etkilerini ölçen kuantum yer çekimi sensörleri veya gravimetreler dahildir. Bu son derece hassas aletler yeraltı yapılarını algılayabilir, bu da örneğin yeni bir altyapı inşa etmeden önce manuel ve müdahaleci araştırma çalışmalarından kaçınılabileceği anlamına gelir.

Benzer şekilde kuantum görüntüleme alanı, ışığın atom altı parçacıkları olan fotonların tuhaf kuantum davranışlarını kullanarak insanların bir köşeden hızla geçen bir arabadan, insan gözünün göremediği tehlikeli gaz sızıntılarına kadar her şeyi görmesine yardımcı olur.

Zamanlama, kuantum teknolojisinin bir diğer köklü alanıdır. Çoğumuz günlük hayatımızda bizi zamanında tutmak için kuvars kristal osilatörleriyle çalışan sıradan saatlerle yetinirken, bu saatler aslında nanosaniyeye kadar tutarlı bir şekilde doğru olan saatlere ihtiyaç duyabilecek bilim insanları tarafından oldukça güvenilmez olarak kabul edilir. Bu doğruluk seviyesini elde etmek için bilim insanları, kuvars kristal osilatörlerini belirli atomlarla birleştiren atom saatlerini kullanırlar. Bunu aşırı basitleştirmek gerekirse bu saatler atomu belirli bir mikrodalga frekansıyla patlatır ve atom sallanmaya veya sallanmaya başlar. Belirli bir atomun o mikrodalgaya tepki olarak ne kadar hızlı salındığı, tüm evrendeki o elementin tüm atomları arasında aynıdır ve bilim insanlarına çok daha doğru bir zaman ölçümü sağlar. GPS gibi uydulara dayanan birçok teknolojiyi mümkün kılan bu doğru ölçümdür. Ve kuantum zamanlama teknolojisi artık atom saatlerinin ötesine geçiyor ve bilim insanları kuantum mantık saatleri ve optik saatler geliştiriyor.

Politika yapıcılar neden kuantum teknolojilerini önemsemeli?

İnterneti hacklemek

Belki de kuantum teknolojilerinin ortaya çıkardığı en belirgin politika endişesi kriptografi etrafındadır. Bugün, verilerimizin çoğu klasik bilgisayarların gerçekleştirmesi için uzun yıllar alması gereken denklemlere dayalı olarak şifrelenmektedir. Bu, verileri bilgisayar korsanlığından korur çünkü bu hesaplamaları gerçekleştirmek günümüz bilgisayarları için basitçe uygulanamazdır.

Ancak kübitlerin alışılmadık özelliklerini kullanarak kuantum bilgisayarlar bu tür şifrelenmiş verileri hızla hackleyebilir. Bu tür bilgisayarlar hala son derece pahalı olsa ve konuşlandırılmasına yıllar veya on yıllar olsa da böyle büyük ölçekli bir şifre çözme tehdidi kesinlikle politika yapıcıların dikkate alması gereken bir şeydir. Bazı ülkeler şimdiden önlemler alıyor ve 

ABD hükümeti 2022’de federal kurumların kuantum dirençli yeni algoritmalara geçmeye hazırlanmaları gerektiğini duyurdu.

Öte yandan, bazı ülkeler yeterince güçlü bir kuantum bilgisayarı inşa edildiğinde şifresini çözebilme umuduyla şu anda şifrelenmiş verileri topluyor gibi görünüyor.

Böylesine güçlü bir kuantum bilgisayarının potansiyel etkileri korkutucu olsa da kuantum bilim insanları bu sorunu ele almak için kuantum kriptografisi alanını geliştirdiler. Bu alandaki bir teknoloji olan kuantum anahtar dağıtımı, yetkisiz bir üçüncü tarafça gözlemlendiğinde değişen kuantum durumlarını kullanarak iletişimler göndermek için dolanıklıktan yararlanır. Bu şekilde, iletişimleri gönderen kişiler herhangi bir ‘dinleyici’ hakkında otomatik olarak uyarılırdı. Ancak kuantum anahtar dağıtımı hala gelişmekte olan bir teknolojidir ve ABD ve  İngiltere’deki siber güvenlik kurumları şu anda bunu önermemektedir. Bunun yerine kuantum bilgisayarlarından yakın gelecekteki tehditlere karşı koruma sağlamak için ‘kuantum güvenli’ algoritmalara odaklanmaktadır.

Temelden dönüştürücü teknoloji

Alanlar arası dönüştürücü potansiyeli açısından, uzmanların kuantum teknolojisini internet ve yapay zeka gibi şeylerle karşılaştırdığını duydum. Bu kadar karmaşık ve hızla gelişen bir bilim alanında gerçeği abartıdan ayırmak zor olabilir. Ancak kuantum teknolojisinin ilaç geliştirmeden doğal kaynak çıkarmaya kadar her alanda çalışma şeklimizi kökten değiştirecek bir sonraki teknoloji olma olasılığı kesinlikle var. Bu nedenle politika yapıcıların kuantum teknolojisinin farkında olmaları ve hızlı ilerlemelerine yanıt vermeye hazır olmaları – veya daha iyisi, bu yeni teknolojileri destekleme ve düzenleme konusunda proaktif olmaları – kritik öneme sahiptir.

Yazan: Emma Hankins

Kaynak

• Oxford Insight / 31 Ağustos 2023