Öğrenciler Kuantum Kodlarını Bile Kırıyor

Ögrenciler Kuantum Kodlarını Çözüyoror
Wits Doktora öğrencisi Isaac Nape, yüksek boyutlu kuantum kodunu çözüyor. Kredi: Witwatersrand Üniversitesi
Abone Ol  


Kuantum hesaplama iletişim için yeni ve hızlı bir araç olarak artık biliniyor. Geleceğin bilişim dünyasının bu hesaplama üzerine geliştireceği algoritmalar ve yazılımlar ile teknolojik atılımlara yön vermesi bekleniyor.
Kuantum optiği çalışmasında ortaya çıkan Güney Afrikalı bir yetenek olan Isaac Nape, kuantum dolanık durumların gizli yapılarını ortaya çıkaran uluslararası bir araştırmaya öncülük eden Wits fizikçilerinden oluşan bir ekibin de parçası. Çalışma, ünlü bilim dergisi Nature Communications’da yayınlandı.

Öncelikle “Kuantum Hesaplama” nedir? Hatırlamakta yarar var diye düşünüyoruz.

Kuantum hesaplama Nedir?

Kuantum hesaplama, hesaplamaları gerçekleştirmek için kuantum durumlarının süperpozisyon, girişim ve dolaşma gibi toplu özelliklerinden yararlanan bir hesaplama türüdür. Kuantum hesaplamaları yapan cihazlar, kuantum bilgisayarlar olarak bilinir.

Tamsayı çarpanlarına ayırma gibi belirli hesaplama problemlerini klasik bilgisayarlardan önemli ölçüde daha hızlı çözebilmektedirler. Kuantum hesaplama çalışması, kuantum bilgi biliminin bir alt alanıdır. Alanın farmasötik, veri güvenliği ve diğer uygulamalarda gerçek dünya kullanımına doğru kaymasıyla, önümüzdeki birkaç yıl içinde çok ciddi anlamda genişleme ve gelişmeler bizleri bekliyor.

Kuantum hesaplama, 1980’de fizikçi Paul Benioff’un Turing makinesinin kuantum mekanik modelini önermesiyle başladı.

Richard Feynman ve Yuri Manin daha sonra bir kuantum bilgisayarın, klasik bir bilgisayarın yapamayacağı şeyleri simüle etme potansiyeline sahip olduğunu öne sürdüler. 1994’te Peter Shor, RSA şifreli iletişimlerin şifresini çözme potansiyeline sahip tam sayıları çarpanlarına ayırmak için bir kuantum algoritması geliştirdi.

RSA Nedir? RSA’yı Tanıyalım.

RSA (Rivest–Shamir–Adleman), modern bilgisayarlar tarafından mesajları şifrelemek ve şifresini çözmek için kullanılan bir algoritmadır. Asimetrik bir kriptografik algoritmadır. Asimetrik, iki farklı anahtarın olduğu anlamına gelir. Buna ortak anahtar şifrelemesi de denir, çünkü anahtarlardan biri herkese verilebilir. Diğer anahtar gizli tutulmalıdır. Algoritma, büyük bir bileşik sayının çarpanlarını bulmanın zor olduğu gerçeğine dayanmaktadır. Çarpanlar asal sayılar olduğunda, soruna asal çarpanlara ayırma denir.

Aynı zamanda bir anahtar çifti (genel ve özel anahtar) üreticisidir.

RSA, bir ortak anahtar ve özel anahtar içerir. Açık anahtar herkes tarafından bilinebilir ve mesajları şifrelemek için kullanılır. Genel anahtar kullanılarak şifrelenen mesajların şifresi sadece özel anahtar ile çözülebilir. Özel anahtarın gizli tutulması gerekir. Genel anahtardan özel anahtarı hesaplamak çok zordur.

1990’ların sonlarından bu yana devam eden deneysel ilerlemeye rağmen, çoğu araştırmacı “hataya dayanıklı kuantum hesaplamanın hala oldukça uzak bir rüya olduğuna” inanıyordu. Son yıllarda, kamu ve özel sektörde kuantum hesaplama araştırmalarına yapılan yatırım arttı.

23 Ekim 2019’da Google AI, ABD Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) ile ortaklaşa, herhangi bir klasik bilgisayarda mümkün olmayan bir kuantum hesaplama gerçekleştirdiğini iddia etti. Ancak bu iddianın gerçek olup olmadığı hala geçerli bir aktif araştırma konusudur.

Bu kısa bilgilerden sonra yazımızın ana konusundan çok kopmadan devam edelim. 

Öğrenci Yüksek Boyutlu Kuantum Kodunu Kırıyor

Nape, Wits Üniversitesi’nde doktorasını sürdürüyor ve kuantum iletişiminde kullanılmak üzere yüksek boyutlu bilgi kodlama ve kod çözme için yapılandırılmış ışık kalıplarından yararlanmaya odaklanıyor.

Bu yılın başlarında, Güney Afrika Fizik Enstitüsü (SAIP) konferansında optik ve fotonik alanındaki büyüyen ödül koleksiyonuna eklemek için iki ödül aldı. “Uygulamalı fizikte en iyi sözlü doktora sunumu” ödülünü kazandı ve ortaklaşa “fotonikte en iyi doktora sözlü sunumu” ödülünü kazandı.

Mayıs ayında, optik, fotonik veya ilgili alana potansiyel katkılarından dolayı uluslararası optik ve fotonik topluluğu olan SPIE’den prestijli 2021 Optik ve Fotonik Eğitim Bursu’na layık görüldü. Doğal olarak Nape’in yapmış olduğunu bu tip çalışmalar gelecekte olası güvenlik açıklarını kapatmak için birebir olacağa benziyor.

Daha Hızlı ve Daha Güvenli Bilgi İşlem

Şimdi Nape ve Wits’teki meslektaşları, İskoçya ve Tayvan’dan ortak çalışanlarla birlikte kuantum hesaplama ve iletişim için yeni ve hızlı bir araç sunuyor.

Hatadan arınmış olarak hesaplama işlemlerinde;

  • Birçok boyutta dolaşmış kuantum durumları, daha fazla boyutun daha yüksek kuantum bant genişliği (daha hızlı)
  • Gürültüye karşı daha iyi esneklik (güvenlik anlamında)
  • Hem hızlı hem de güvenli iletişim ve hatada hızlanma

Nape, “Burada yaptığımız şey, bu “yüksek boyutlu” kuantum durumlarını araştırmak için yeni bir yaklaşım icat etmek ve ölçüm süresini on yıllardan dakikalara indirgemek” diye açıklıyor.

Nape, bu çalışmanın baş araştırmacısı ve Wits Fizik Okulu Yapılandırılmış Işık Laboratuvarı Direktörü ve aynı zamanda doktora sonrası araştırmacı Dr. Valeria Rodriguez-Fajardo ile birlikte çalıştı.

“Kuantumlu durum yoksa değil mi?” başlıklı makalelerinde yüksek boyutlu dolanık durumların boyutsallığını ve saflığını ölçmek, ekip kuantum ölçümüne yeni bir yaklaşımın ana hatlarını çizdi ve 100 boyutlu kuantum dolaşık durumda test etti.

Geleneksel yaklaşımlarla, ölçüm süresi boyutla elverişsiz bir şekilde artar, bu nedenle 100 boyutlu bir durumu tam bir “kuantum durum tomografisi” ile çözmek on yıllar alacaktır. Bunun yerine ekip, kuantum sisteminin göze çarpan bilgisinin – kaç boyutun birbirine karıştığını ve hangi düzeyde saf olduğunu sadece birkaç dakika içinde çıkarılabileceğini gösterdi?

Yeni yaklaşım, yalnızca geleneksel araçlarla çoğu laboratuvarda kolayca yapılabilecek basit “öngörüler” gerektirir. Örnek olarak ışığı kullanan ekip, ölçümleri gerçekleştirmek için tamamen dijital bir yaklaşım kullandı.

Nape, “Yüksek boyutlu durumlar, özellikle dolanık ışık parçacıkları (fotonlar) ile kolayca yapılırken, ölçülmesi kolay değil, onları ölçmek ve kontrol etmek için araç kutumuz neredeyse boş” diye belirtiyor.

Bir zarın yüzleri gibi yüksek boyutlu bir kuantum durumu düşünebilirsiniz. Geleneksel bir zarın, bilgi işlem veya iletişimde bilgi aktarımı için kullanılabilecek altı boyutlu bir alfabe için 1’den 6’ya kadar numaralandırılmış 6 yüzü vardır. “Yüksek boyutlu bir zar” yapmak, çok daha fazla yüzü olan bir zar anlamına gelir: 100 boyut, 100 yüze eşittir – oldukça karmaşık bir çokgen.

“Günlük dünyamızda, bizim için ne tür bir kaynağa sahip olduğumuzu bilmek için yüzleri saymak kolay olurdu, ama kuantum dünyasında öyle değil. Kuantum dünyasında, zarın tamamını asla göremezsiniz, bu nedenle yüzleri saymak çok zordur. Bunu aşmanın yolu, tıp dünyasında olduğu gibi bir tomografi yapmak, nesnenin birçok, birçok diliminden bir resim oluşturmak” diye açıklıyor Nape.

Açıkça çok da anlaşılır bir durum olduğunu düşünüyoruz.

Ancak kuantum nesnelerindeki bilgiler çok büyük olabilir, bu nedenle bu işlemin zamanı engelleyicidir. Daha hızlı bir yaklaşım, önünüzdeki şeyin birbirine karışıp karışmadığını söylemek için “kuantum musunuz, değil misiniz?” diye sormak gerekecektir.

Ancak bu, zarın kuantum korelasyonlarını doğrularken, sahip olduğu yüzlerin sayısı hakkında fazla bir şey söylemez.

Nape, “Çalışmamız, tomografi veya Bell ölçümü olmayan, ancak her ikisi için de önemli bilgiler içeren bir dizi ölçüm olduğunu tesadüfi bir keşifle sorunu çözdü” diyor.

“Teknik tabirle, bu iki ölçüm yaklaşımını bir tomografi gibi görünen ama sonucun görünürlüğünü Bell ölçümleri gibi ölçen çoklu projeksiyonlar yapmak için harmanladık. Bu, birçok boyuttaki kuantum korelasyonlarının gücünden çıkarılabilecek gizli bilgileri ortaya çıkardı.”

Bell Yaklaşımı

Bell benzeri yaklaşımdan elde edilen hız ve tomografi benzeri yaklaşımdan elde edilen bilgilerin birleşimidir.

Boyutsallık ve kuantum durumunun saflığı gibi temel kuantum parametrelerinin hızlı ve nicel olarak belirlenebileceği anlamı taşır.

Forbes, “Yaklaşımımızın diğer tekniklerin yerini almasını önermiyoruz” diyor. “Daha ziyade, neyle uğraştığınızı ortaya çıkarmak için hızlı bir araştırma olarak görüyoruz ve ardından bu bilgiyi daha sonra ne yapılacağına dair bilinçli bir karar vermek için kullanıyoruz. ”

Örneğin, ekip yaklaşımlarını, kuantum durumunun ne kadar gürültülü hale geldiğinin ve bunun yararlı boyutlara ne yaptığının hızlı bir şekilde ölçülmesinin çok önemli olduğu gerçek dünyadaki kuantum iletişim bağlantılarında oyunu değiştirmek olarak görüyor.

Referans Çalışma: “Measuring dimensionality and purity of high-dimensional entangled states” by Isaac Nape, Valeria Rodríguez-Fajardo, Feng Zhu, Hsiao-Chih Huang, Jonathan Leach and Andrew Forbes, 27 August 2021, Nature Communications.

Kaynak: sciencedaily

İlk yorum yapan olun

Bir yanıt bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.


*