Kuantum hesaplama hala bilim kurgu alanı gibi geliyor. Verilen söz, kuantum hesaplamanın mevcut en hızlı süper bilgisayardan yüz milyon kat daha hızlı hesaplamalar yapabilmesidir. Bunun bilimdeki büyük problemleri çözmek için son derece olumlu etkileri olacaktır.
Ancak daha karanlık bir yan etkisi var: Geleneksel bilgisayarlarla kırılması binlerce yıl sürecek olan şifreleme, birkaç dakika, hatta saniyeler içinde gönderilebilir. Bugünün anlamı, düşmanların şu anda gelecek yıllarda bir kuantum bilgisayarla saldırabilecekleri verileri toplayıp depolayabildikleridir. Bazı ticari ve kişisel veriler, gelecekte çok hassas olmaya devam edecektir. Bu nedenle, kuantum bilgi işlem saldırılarına dayanmak için verileri geleceğe hazır hale getirmeye değer.
Kuantum hesaplama nasıl çalışır?
Kuantum hesaplamanın mevcut ‘Von Neumann’ makinelerine kıyasla artan performansı o kadar büyük bir sıçrama ki, gerçek olduğuna inanmadığı için kolayca affedilebilir. Ancak hız, kuantum hesaplamanın nasıl çalıştığının bir yan ürünüdür ve bu, belirgin şekilde farklıdır. Geleneksel bilgisayar çipleri hala John Von Neumann tarafından geliştirilen ve 1945’te yayınlanan bilgi işlem konseptine dayanmaktadır. Bu sistemde her işlem, giriş cihazından okunarak, mantıksal olarak üzerinde çalışılarak ve ardından tekrar depolamaya geri gönderilerek sırayla gerçekleştirilir.
Büyük ölçüde paralel süper bilgisayarlar bile bu şekilde çalışır. Aynı anda binlerce işlem gerçekleştiriyorlarsa, her biri hala CPU çekirdeği tarafından sırayla yürütülür. GPU’lar CPU’lardan daha basittir, ancak çok daha fazla birimin çok daha fazla paralelleştirilmesine rağmen sıralı birimler de içerirler. Geleneksel bilgi işlem ayrıca, genellikle 0 ve 1 olarak gösterilen iki durumu olan bitlerle de çalışır. Giriş bir durum olacaktır ve işlemden sonra çıkış aynı veya diğer durum olacaktır. Problemler daha fazla hesaplama olasılığı ile daha karmaşık hale geldikçe, bunları bireysel ardışık hesaplamalara bölmek, mevcut mimarilerin yeteneklerinin çok ötesine geçmeleri anlamına gelebilir.
Kuantum bilgisayarlar böyle çalışmıyor. Bir kuantum bilgisayar, paralel olarak tek bitler üzerinde ardışık işlemleri çalıştırmak için çok sayıda ayrı bilgi işlem çekirdeği içermek yerine, bir nesnenin durumunun ölçülmeden önce olasılığı üzerinde çalışır. Bir kübit olarak bilinen bu durumlar, bir fotonun polarizasyonu veya bir elektronun dönüşü gibi algılamadan önce bir nesnenin tanımsız özellikleridir. Bu kuantum durumları ölçümden önce net bir konuma sahip olmadıklarından, yalnızca iki yerine birçok farklı olası konumu aynı anda karıştırırlar.
Bununla birlikte, ölçülene kadar tanımsız olmalarına rağmen, bu karışık durumlar diğer nesnelerinkilerle matematiksel olarak ilişkili bir şekilde ‘dolanık’ olabilir. Bu dolaşıklığın matematiğini bir algoritmaya uygulayarak, karmaşık problemler esasen tek bir işlemde çözülebilir. Bir yandan, bu, bir kimyasal reaksiyonda çoklu parçacık etkileşimlerini tahmin etmek veya kırılması mevcut kodlardan çok daha zor olan güvenlik kodları oluşturmak gibi çok zor bilim için kullanılabilir. Ancak bunun tersine, aynı anda birçok olası çözümü gerçekleştirebildikleri için, mevcut bilgisayar teknolojisiyle ihlal edilmesi imkansız olan mevcut kodları kırmak için de kullanılabilirler.
Bunu perspektife koyarsak, geleneksel bir bilgisayarın her yerde bulunan 2.048 bit RSA şifrelemesini kırmak için yaklaşık 300 trilyon yıl – evrenin yaşının 22.000 katı – süre alması gerekir. Ancak 4.099 kübitlik bir kuantum bilgisayar, şifreleme anahtarlarında kullanılan bir tamsayının asal faktörlerini bulmak için tasarlanmış Shor Algoritmasını kullanarak sadece 10 saniye gerektirecektir. Pek çok kriptografi biçimi için baş gösteren bir tehlike olduğu açıktır. Örneğin, web bağlantılarını şifrelemek için kullanılan her yerde bulunan SSL ve TLS, 2.048 bit RSA anahtarları kullanır ve bu nedenle bir kuantum bilgisayar tarafından ihlal edilmeye karşı savunmasız olacaktır.
Mevcut kuantum bilgisayarlar ne kadar hızlı?
İyi haber şu ki henüz bu aşamada değildik. 4.099 kübit, çekirdek başına saniyede 3 milyardan fazla işlem gerçekleştiren 64 çekirdekli işlemcilere sahip olduğumuzda kulağa çok fazla gelmese de, hala en güçlü mevcut kuantum bilgisayardan daha fazlasıdır. IBM’in 2021’in sonunda tanıtılan Eagle’ında yalnızca 127 kübit var. Google’ın Sycamore’unda yalnızca 53 kübit, Çin’deki Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nin Jiuzhang’ında 76 kübit ve çoğu kuantum işlemcisi (QPU) 50’den az kübite sahiptir. D-Wave’den 5.760 kübit’e kadar ‘kuantum tavlama’ işlemcileri var, ancak bunlar sınırlı sayıda olası sonuç gerektiriyor ve şifrelemeyi kırmak için gereken Shor Algoritmasını çalıştıramıyor.
Ancak gelişme ilerliyor. Xanadu, 2022’de Borealis adlı 216 kübitlik bir QPU piyasaya sürmeyi planlıyor ve IBM, 2022’de Osprey ile 433 kübit, ardından 2023’te Condor ile 1.121 kübite ulaşmayı hedefliyor. Dolayısıyla, geleneksel şifreleme şimdilik güvenli kalırken, durum böyle olmayacak. çok daha uzun süre. Örneğin, IBM’in yol haritası, 2025 yılına kadar 4,158 kübit hedefliyor ve bu, 2048 bit RSA’yı sanal olarak gerçek zamanlı olarak kırmanın, NIST’in başlangıçta hala güvenli olacağını hesapladığı son yıl olan 2030’dan önce mümkün olmasını sağlıyor. 2030’a kadar dışarı çıkıp bir kuantum bilgisayarlı masaüstü bilgisayar satın alamayabilirsiniz – D-Wave’in ticari olarak satılan ilk kuantum bilgisayarı, 2017’de piyasaya çıktığında 15 milyon dolara mal oldu. Fiyatlar düşecek, ancak bunun yalnızca büyük şirketler ve ülkeler olması muhtemel. önümüzdeki yıllarda QPU’ları olan Ancak, tüm bu ülkeler bizim çıkarlarımızı esas almayacaklar, bu yüzden tehlike baş gösteriyor.
Kuantum bilişime karşı siber güvenliği güçlendirme
Neyse ki, tehdide hazırlanmak için zaman var; örneğin, kuantum sonrası kriptografiye dayalı güvenlik ürünleri kullanarak. Bu ürünler, hassas verilerinizi bugünden koruyabilir ve kuantum bilgisayarlardan gelen saldırılara karşı geleceğe hazır hale getirebilir.
Mevcut şifreleme algoritmaları, tamsayı çarpanlarına ayırma, ayrık logaritmalar veya eliptik eğri ayrık logaritmalar kullanır; bunların tümü Shor Algoritmasının bir kuantum bilgisayar kullanarak üstesinden gelebilir. Kuantum sonrası kriptografi, kuantum hesaplamaya açık olmayan alternatif yaklaşımlara geçer. Araştırma, altı temel yönteme dayalı olarak henüz emekleme aşamasındadır, ancak halihazırda bu teknolojiyi kullanan ürünler ortaya çıkmaktadır. Bir örnek QST-VPN (yeni sekmede açılır), OpenVPN kitaplığına dayalıdır, ancak kullanıcı verilerini koruyan kuantum sonrası güvenli algoritmalara sahiptir. Sunucu yazılımı, Windows, MacOS ve çok çeşitli Linux dağıtımları için istemcilerle birlikte AWS bulutu aracılığıyla sağlanır ve işletmelerin güvenliklerini kuantum atı sona erdikten sonra değil, şimdi güçlendirmeye başlamaları için bir fırsat sunar.
Kuantum hesaplama, hesaplamaları ne kadar hızlı gerçekleştirebileceğimiz konusunda devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Her yeni teknolojik gelişme gibi bunun da hem iyi hem de kötü sonuçları var. Ancak artık siber güvenliği neyin beklediğini bildiğimize göre – çok da uzak olmayan bir gelecekte – en azından hazırlık yapabiliriz, böylece kuantum hesaplamanın faydalı potansiyeli daha kötü olasılıklara üstün gelebilir.
