Kuantum Şifreleme

Kuantum şifreleme hâlihazırda sadece Optik hatlar üzerinde uygulanabilen güvenli bir şifreleme yöntemidir. Bu yöntemle; kriptografik gizli anahtarların taraflar arasında güvenli bir şekilde iletilmesi amaçlanmaktadır. Optik iletişim mevcut kablolu iletişime göre bazı avantajlara sahiptir ve diğer bir taraftan da kablosuz haberleşme esaslarına yakın olarak çalışmaktadır. Optik iletişimde olduğu gibi, kablosuz iletişimde de dikkat edilmesi gereken bazı unsurlar mevcuttur. Bunlar:

• Haberleşmeye izinsiz dâhil olunup, haberleşmenin dinlenmesi.
• Verinin içeriğinin değiştirilmesi.
• Gönderilmemiş mesajların, gönderilmiş gibi gösterilip, sahte mesajların, gönderilmesidir.

Bu yazılan unsurların çözümü; güvenilir bir şifreleme sistemiyle anahtar dağıtımı yaparak gösterilmektedir. Ama mevcuttaki klasik şifreleme sistemlerinin hiçbiri bu anahtar dağıtımının güvenliğini garanti edememektedir ve haberleşmeye izinsiz olarak dahil olunduğunu tespit edememektedir

Kuantum şifreleme diğer bilinen şifreleme yöntemlerinden farklı olarak; matematik kuralları yerine fizik kurallarını esas almaktadır. Şifrelemenin güvenli bir şekilde yapılması anahtar güvenliği ile doğru orantılıdır. Bundan dolayıdır ki öncelikli olarak Kuantum Anahtar Dağıtım (KAD) kavramının ve işleyişinin anlaşılması gerekmektedir.

Kuantum Anahtar Dağıtımı

Geliştirilmiş olan ilk kuantum şifreleme protokolü; 1984 yılında IBM çalışanı Charles Bennett ve Montreal Üniversitesinden Gilles Brassard tarafından oluşturulan BB84 anahtar dağıtım protokolüdür (Bennett ve Brassard, 1984). Günümüzde B92 (Bennett 1992) ve SARG(Scrani&Acin&Ribordy&Gisin) gibi Kuantum Anahtar Dağıtım protokolleri teorik olarak var olsa da bunlar günlük hayatta uygulanabilirliği düşük ve geliştirilmesi BB84’e göre daha fazla zaman alacak protokollerdir. Diğer Kuantum Anahtar Dağıtım protokollerine göre BB84 protokolünün üstünlüğünden dolayı, bu tez kapsamındaki çalışmada BB84 protokolü üzerinde durulmuştur.

Foton, ışığı oluşturan taneciklere verilen isimdir. Bir bit fotonu ifade edebilmek için, frekans, faz, polarizasyon gibi çeşitli özellikler mevcuttur. Bu özelliklerden polarizasyon, kuantum şifrelemede kullanılmaktadır.

Kuantum anahtar dağıtımı aşağıdaki adımlar halinde çalışmaktadır:

• Öncelikli olarak gönderici ve alıcı taraflar; aşağıdaki Şekil 1’de görülebileceği gibi haberleşemeye başlamadan önce kendi aralarında bir kodlama sistemi oluştururlar. 

(Şekil 1)

Gönderici ve alıcı yukarıdaki gösterilen Şekil 1‘deki gibi anlaştıktan sonra, sırasıyla aşağıdaki adımlar gerçekleşir.

• Gönderici rastgele bir bit dizisi seçer (alıcının bundan haberi olmaz).
• Gönderici herbir biti için, rastgele bir polarizasyon tabanı (+ veya X) seçer ve Şekil 2'de görüldüğü gibi uygun polarize edilmiş fotonla ( |, -, /, \ ) kodlar ve fotonu alıcısına gönderir.
• Alıcı gelen her bir fotonun polarizasyonunu ölçer, fakat göndericinin polarizasyon tabanını bilmez, bundan dolayı ölçüm için rastgele polarizasyon tabanını seçer. Yani alıcı gelen fotonları rastgele ölçer ve Şekil 1'deki bilgilere göre bir bit dizisi elde eder.
• Gönderici ve alıcı güvendikleri bir kanal aracılığıyla (telefon, posta vb) polarizasyon tabanlarını birbirlerine açıklarlar. Aynı polarizasyon tabanlarını kullandıkları durumlarda gönderilen ve alınan bitler aynı olacaktır. Bulunan bu ortak bitler haberleşmenin anahtarını oluşturmaktadır. Aşağıdaki Şekil 2 görüldüğü gibi 6 bitlik gizli anahtar 010101 olur.

(Şekil 2)

Protokol sonuçlandığında, mesaj anahtarla şifrelenir ve alıcı tarafından da çözülerek okunur.