Kuantum bilgisayarların, günümüzde kullandığımız en güvenli şifreleme algoritmalarını kırmak için sanılandığından çok daha az güçlü olmaları gerektiği konusunda bilim insanları uyarıyor. Yeni araştırmalar, kuantum bilgisayarların, güvenli kabul edilen kriptografik sistemleri geçersiz kılmak için tahmin edilenden çok daha az kuantum biti (qubit) ile yeterli olabileceğini öne sürüyor. Bu durum, banka bilgileri ve özel mesajlar gibi hassas verilerin ele geçirilme riskini artırabilir.
Kuantum bilgisayarlar, hesaplamaları sıralı yerine paralel olarak gerçekleştirir. Bu, qubit sayısının artmasının performanslarını üstel olarak artırdığı anlamına gelir. Teorik olarak bu, en hızlı süper bilgisayarların milyonlarca yıl süreceği hesaplamaları saniyeler içinde çözebilecekleri anlamına gelir.
Buna örnek olarak, 1994 yılında matematikçi Peter Shor tarafından tasarlanan ve büyük sayıları etkin bir şekilde çarpanlara ayırabilen Shor algoritması verilebilir. Bu algoritma, kuantum bilgisayarların pratik bir problemde klasik bilgisayarları teorik olarak geçebileceğine dair ilk kanıtı oluşturmuştur. Klasik yöntemlerle kırılması neredeyse imkansız olduğu için, günümüzdeki birçok şifreleme sisteminin temelini oluşturan RSA açık anahtarlı şifrelemenin temeli haline gelmiştir.
Bilim insanları daha önce, kuantum bilgisayar kullanarak Shor algoritmasını kırmak için milyonlarca qubit'e sahip bir sisteme ihtiyaç duyulacağını varsayıyordu. Ancak günümüzün en iyi işlemcilerinde sadece yüzlerce qubit bulunuyor. Şimdi ise, 31 Mart'ta arXiv ön baskı veritabanına yüklenen yeni bir çalışma, bu algoritmanın sadece 10.000 qubit'lik bir sistemle çözülebileceği uyarısında bulunuyor.
Daha da endişe verici olanı, yazarlar, sadece 26.000 qubit'lik bir kuantum bilgisayarın, internetteki dijital sertifikaların çoğunu korumak için kullanılan endüstri standardı şifreleme olan RSA-2048'i kırmasının yedi ay kadar sürebileceğini savunuyor.
Hatasız Kuantum Bilgisayarlar Üretmek
Milyonlarca qubit gereksiniminden on binlercesine düşüşün arkasındaki neden, kuantum hata düzeltme (QEC) alanındaki gelişmeler ve nötr atomlu kuantum bilgisayarların artan sağlamlığıdır. Klasik bitlerin aksine, qubitler doğası gereği 'gürültülüdür', yani çok daha yüksek bir hata oranına sahiptirler. Bu da qubitlerin hesaplamalar sırasında başarısız olma olasılığını artırır. Bilim insanları, gelecekteki sistemlerin klasik bilgisayarları geride bırakması için, günümüzün son teknoloji sistemlerine takılan yüzlerce qubit yerine milyonlarca qubit'e ihtiyaç duyacağını belirtiyor.
Hata oranlarını azaltmanın bir yolu, mantıksal qubitler kullanmaktır. Bunlar, aynı veriyi paylaşan dolaşık fiziksel qubit koleksiyonlarıdır. Bu, kurucu fiziksel qubitlerden biri başarısız olursa, verinin başka bir yerde bulunduğu ve hesaplamaların kesintisiz olarak devam edebileceği anlamına gelir. QEC projeleri, kuantum bilgisayarları hatalara karşı daha az eğilimli hale getirecek qubitler ve yazılım katmanları tasarlamayı amaçlar, bu da hataya dayanıklı bir sistemde karşılaştırılabilir performans seviyelerine ulaşmak için daha az qubit gerektireceği anlamına gelir.
Bu arada, nötr atomlu kuantum bilgisayarlar, bireysel, yük nötr atomlar (genellikle rubidyum, sezyum veya itriyum gibi elementler) tarafından desteklenir. Bu atomlar, odaklanmış lazer ışınları (optik cımbızlar olarak bilinir) tarafından askıda tutulur ve mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulur. Nötr atomlu kuantum bilgisayarlar, gibi büyük şirketler tarafından üretilen işlemcilerde kullanılan geleneksel süperiletken qubitlere bir alternatiftir. Çalışmanın yazarları, QEC'deki ilerlemeler nedeniyle bu sistemleri hataya dayanıklı kuantum hesaplama için uygun adaylar olarak göstermiştir.
Özellikle, fiziksel qubitler sadece bir değil, birçok mantıksal qubit'e katılabilir. Bu da teorik olarak bir mantıksal qubit için gereken qubit sayısını yüzlerce veya binlerceden beşe kadar düşürebilir. Yazarlar, çalışmalarında henüz hakem denetiminden geçmemiş olsa da, 'Son nötr atom deneyleri, hata düzeltme eşiğinin altında evrensel hataya dayanıklı işlemler, yüzlerce qubit'lik dizilerde hesaplama ve 6.000'den fazla yüksek derecede uyumlu qubit içeren tuzak dizileri göstermiştir' dediler. 'Önemli mühendislik zorlukları devam etse de, teorik analizimiz, uygun şekilde tasarlanmış bir nötr atom mimarisinin kriptografik olarak ilgili ölçeklerde kuantum hesaplamayı destekleyebileceğini göstermektedir' diye eklediler. 'Daha geniş anlamda, bu sonuçlar, nötr atomların geniş bilimsel ve teknolojik uygulamalara sahip hataya dayanıklı kuantum hesaplama yeteneğini vurgulamaktadır.'
En Zorlu Şifreleme Algoritmalarını Çözmek
Çalışmada bilim insanları, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar için birkaç yeni mimari önerdi ve farklı hata düzeltme mekanizmalarıyla performanslarını analiz etti. 500 qubit'li mevcut nötr atom makineleri ve 6.000 qubit'li diziler, 'eşik altı' operasyonunu gösterdi. Bu, QEC uygulandıktan sonra, qubit sayısını artırmanın hata oranını üstel olarak azalttığı anlamına gelir. Yani sistem ne kadar büyükse, kuantum bilgisayarın hataya dayanıklı hale gelmesini sağlayan hata düzeltme o kadar artar. Bu, hiçbir hata düzeltme tekniği uygulanmadığının tam tersidir; burada hata oranları, bir kuantum bilgisayarındaki qubit sayısını artırdıkça üstel olarak yükselir.
Çalışmada, araştırmacılar mevcut kuantum hesaplama sistemlerinin gücünü inceledi ve kriptografik sistemlerimize tehdit oluşturmaları için ne kadar güçlü olmaları gerektiğini öngördüler. Üç temel kriptografik algoritmayı incelediler: kuantum hesaplama performansı için bir ölçüt haline gelen Shor algoritması; internet trafiğini güvence altına almak ve kripto para birimlerini korumak için kullanılan modern ama daha az karmaşık bir şifreleme biçimi olan ECC-256; ve yaygın olarak kullanılan RSA-2048.
Çalışmada, hata düzeltme uygulanmadığı takdirde, en son teknolojiye sahip kuantum bilgisayarların RSA'yı bir hafta içinde kırması için 1 milyon qubit'e ihtiyaç duyulacağını belirttiler. ECC'nin ise yalnızca 500.000 qubit ve on dakika içinde çözülmesi gerekecekti. Çalışmadaki hesaplamalara göre, Shor algoritması sadece 11.961 qubit'e sahip bir sistemle çözülebilir olacaktı. 10.000 ila 26.000 qubit'lik bir sistem, 10 gün içinde ECC-256'yı kırabilir ve 11.000 ila 14.000 qubit'lik bir makine, üç yıldan kısa sürede RSA-2048'i çözebilir. Araştırmacılar ayrıca yaklaşık 102.000 qubit'lik paralelleştirilmiş mimarilerin RSA-2048 şifrelemesini 97 günde kıracağını öngördüler.
Yazarlar, 'binlerce mantıksal qubit'e sahip gelecekteki kuantum işlemciler 'geniş bir uygulama yelpazesini açacaktır' ve 'önemli bilimsel ve ekonomik değere sahip' olacaktır' diye yazarken, bu bulgular standart şifrelemeden uzaklaşmak için acil önlemler almamız gerektiğini öne sürüyor. Örneğin, Google mühendisleri, dünyanın 'kuantum sonrası şifrelemeye geçmek için üç yıldan az zamanı' olduğunu söylüyor. Çalışmanın yalnızca mevcut QEC'ye odaklandığına ve diğer teknikler iyileşirse daha küçük sistemlerin aynı başarıyı elde etmesi kapısını açık bıraktığına dikkat çekmek gerekir. Bilim insanları, fiziksel qubit doğruluğundaki gelişmeler — fiziksel qubitleri doğası gereği daha az hataya eğilimli tasarlamak — veya algoritmik sıkıştırma — gereken fiziksel qubit sayısını daha da azaltmak — gibi gelecek yıllarda elde edilecek atılımlar arasında yer aldığını belirtti. Bu da gelecekteki şifre kırma sistemlerinde gereken qubit sayısının yarıya indirilmesi anlamına gelir.
Yazarlar, 'Bu bulguların önemli çıkarımları var. Önemli uzmanlık, deneysel geliştirme çabası ve mimari tasarım gerektirse de, teorik analizimiz, Shor algoritmasını uygulayabilen bir nötr atom sisteminin inşa edilebileceğini göstermektedir' diye yazdılar. 'Bu sonuç, yaygın olarak dağıtılan kriptografik sistemlerin kuantum saldırılarına karşı güvenli olacak şekilde tasarlanmış kuantum sonrası standartlara geçişine yönelik devam eden çabaların önemini vurgulamaktadır.'
