Kuantum bilgisayarlar Bitcoin’i kırabilirler mi?

Bana son yıllarda en çok sorulan sorulardan birisini bugün gündemime almak istiyorum: Kuantum bilgisayarların kriptonun bugününe ve geleceğine karşı oluşturduğu tehdit gerçek mi? Bu yeni nesil bilgisayarlar, kripto paralar için denildiği kadar tehlikeli mi? Bu bilgisayarlar gelecek sene ya da günün birinde bitcoin’lerin şifrelerini kırıp, tüm sistemi alaşağı edip indirebilir mi?
İşte tüm bu sorulara bu haftaki yazımda cevap vermeye çalışacağım. Bu sorulara cevap vermeden önce kuantum bilgisayar nedir sorusuyla başlayacağım. Daha sonra ikinci sırada cevaplayacağım soru, kripto paralar için neden böyle bir tehdit algısı var, bu algıyı yaratan nedir? Ve nihayet, asıl soru olan kuantum bilgisayarlar bitcoin ve diğer altcoin’leri kırabilir ve blokzincir rüyasını sona erdirebilir mi?

Soru 1: Kuantum bilgisayar nedir?

Quantum ya da dilimizde okunduğu şekliyle kuantum bilgisayarlar önce teorik olarak sonra da pratik olarak hayatımıza girmiş olan, bugünün değilse de geleceğin süper-bilgisayarları; ancak bildiğimiz klasik tasarımlı bilgisayarlardan çok büyük farkları var. Kuantum bilgisayarlarını anlayabilmek için bu makinelerin arkasında işleyen kuantum mekaniğinden biraz bahsetmek gerekiyor.

Kuantum bilgisayarlar, kuantum mekaniği ilkelerine dayanarak çalışır. Klasik bilgisayarlar bitlerle çalışırken, kuantum bilgisayarlar “kübit” (qubit) adı verilen bir birimle çalışır. Ancak kü-bitlerin klasik bitlerden çok önemli farkları vardır.

Klasik bitler yalnızca 0 ya da 1 durumunu alabilirken, kübitler hem 0 hem de 1 durumunu aynı anda alabilirler. Bu ilkeye “süperpozisyon”, yani “çakışıklık” ilkesi denilir. Ancak bir kübit ölçüldüğünde, yani bir ölçüm işlemi yapıldığında sonuç kesinlikle ya sıfır (0) ya da bir (1) olarak çıkar: Hangi sonucun çıkacağını belirleyen şey, kübitin sonuçlardan hangisine daha “eğilimli” olduğudur.

Ayrıca kübitler “dolaşıklık” (entanglement) oluşturabilirler. İki kübit birbirlerine dolaşık durumdaysa, birinin durumu değiştiğinde diğerinin durumu da anında değişecek demektir. Bu durum, kübitlerin ayrı ayrı ölçülmelerinden elde edilebilecek bilgiden daha fazla bilgi taşıdıkları anlamına gelir. Yani bu manada, klasik bit’lerin 0 veya 1 olmasına göre kübitlerin dolaşıklıktan kaynaklanan fazla bir bilgi kırıntısı (biti) daha vardır. Bu durumda kübitler, iki bit değil, daha fazla bit içeriyor diyebiliriz. Ayrıca, kübitler, nasıl ki bugün artık kuantum deneyi yapan bir bilim insanını da deneyin içine dahil ettiğimiz gibi, tasarımının ve tasarımcısının hangi durumda olduğunu da gelecekte “bit” bilgisine dahil edebilirler.

Çakışıklık ve dolaşıklık ilkeleri sayesinde kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı ve çok daha karmaşık hesaplamalar yapabilirler. Ancak bu aynı zamanda kuantum bilgisayarları inşa etmeyi ve programlamayı da epey daha zor hale getirir. Kuantum durumlar (state’i böyle çevirelim) çok hassastır ve çevresel etmenler ve ortam gürültüsü tarafından kolayca bozulabilir. Demin bahsettiğim, deneyi yapanın da deneye dahil olması gibi kavramlar henüz bu bozulmaya dahil edilmemiştir! Dahası, bir kübitin durumunu ölçmek, o kübitin çakışıklık özelliğini “göçertir” (collapse ettirir) ve dolayısıyla bu bilgiyi ölçüm anında yok eder.

Bu zorluklara rağmen, kuantum bilgisayarların bir gün klasik bilgisayarların çözemeyeceği problemleri çözebileceği düşünülüyor. Özellikle optimizasyon problemleri, makine öğrenmesi ve malzeme bilimi gibi alanlarda kuantum bilgisayarlar gelecekte (yani bugün değil) büyük bir potansiyele sahiptir.

Kuantum bilgisayarların tarihçesiden biraz bahsedeyim:

Ünlü Amerikalı fizikçi Richard Feynman, burada da başrolde! Bu yazıya hazırlanana kadar kuantum bilgisayarların bir gün pratikte var olabileceği fikrini ilk defa ortaya atanın o olduğunu bilmiyordum; meğerse 1985 yılında yazdığı bir bilimsel makale ile bu fikrin babası da Feynman’mış. Makaleyi kolayca internetten bulup okudum, siz de bulabilirsiniz. (Kaynak.1) Bu makalede Feynman, 1980’lerin o dönemde yeni gelişmesi olan basit elektronik devrelerde kullanılan AND, NAND, OR gibi kapıların mantığını bir ileri adıma taşıyarak, silikon devreler yerine teorik olarak atom altı parçacıkların “durum”larını ve bu düzeydeki parçacıkların çakışıklık ve dolaşıklık özelliklerini kullanacak bazı kuantum devre elemanları tasarlamış, ve böylece bugünkü kuantum bilgisayar tasarımcılarına yol göstermiş.
Ben şu anda 22 yaşında yeni mezun bir üniversite öğrencisi olsaydım, sanırım projem yeni nesil bir kuantum bilgisayar tasarlamak olurdu. Türkçe düşünen, yani saf matematiksel düşüncenin ürünü olan bu dili konuşan ve bu dilde düşünce üreten bir gencin ortaya koyacağı kuantum bilgisayar tasarımı, şu anda Batı’da yapılanlardan muhtemelen farklı olurdu. Aynı Lotfi Aliaskerzade Beyin (Kaynak.2) “fuzzy logic” kavramını icadı gibi, o Türk gencinin beyninden de Feynman’ın orijinal makalesinden başlayıp ilerlemiş yeni nesil bir kuantum makine ortaya çıkardı.

Soru 2: Kriptolar için tehdit algısını yaratan neydi?

1994 yılında AT&T Bell Laboratuvarlarında çalışan Peter Shor isimli bir matematikçi bir makale yazar ve o makalede bir algoritma önerir. (Kaynak.3)

Bu, bilgisayar biliminde önemli bir problem olan tamsayıları çarpanlarına ayırmakta kullanılabilecek bir kuantum algoritmasıdır (yeni bir kuantum bilgisayarda çalışan algoritma). Klasik hesaplamada, büyük sayıları çarpanlarına ayırmak çok zaman alır ve sayılar çok büyüdüğünde neredeyse imkansız hale gelir. Bu özellik, başta (ismi, Rivest-Shamir-Adleman olan üç MIT hocasından gelen şifre şeması) RSA olmak üzere, birçok şifreleme şemasının temelidir. RSA’nın güvenliği, klasik bilgisayarlarda çalışan, bilinen herhangi bir algoritma ile büyük sayıları asal çarpanlarına ayırmanın hesaplama açısından çok zor olduğu gerçeğine dayanır.

Ancak Shor’un algoritması, bu sorunu klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı çözmek için kuantum mekaniğinden faydalanır. Spesifik olarak, büyük sayıları çarpanlara ayırmak için gereken süreyi büyük ölçüde azaltmak için çakışıklık ve dolaşıklık ilkelerini kullanır.

Büyük ölçekli kuantum bilgisayarlar bir gün imal edilirlerse, teorik olarak Shor’un algoritmasıyla, artık güncel olmayan RSA şifrelemesini ya da Bitcoin ağında halen kullanılan Eliptik Eğri şifrelemesini kırılabilir ve güvenli ağların en önemli bileşenini ortadan kaldırabilir.

Ne var ki, bugün henüz Shor’un algoritmasını büyük ölçekte çalıştırabilen pratik bir kuantum bilgisayar yoktur. Örnek vermem gerekirse, 2022’ye kadar Shor’un algoritmasını kullanan bir kuantum bilgisayar tarafından çarpanlarına ayrılan en büyük sayı, bir grup araştırmacı tarafından Çin’de elde edilen 21 rakamı idi. Bundan daha büyük sayıları çarpanlara ayırmak için, mevcut teknolojinin izin verdiğinden daha fazla kübit ve daha iyi hata düzeltme yeteneği gerekiyor. Güzel Türkçemizde bunun deyimi var: “ölme eşeğim ölme, yaz gelsin de yonca bitsin”.

Soru 3: Kuantum bilgisayarlar günün birinde bitcoin’lerin şifrelerini kırıp, tüm sistemi alaşağı edip indirebilir mi?

Ocak 2022’de Sussex Üniversitesinin yan kuruluşu Universal Quantum’da çalışan bir ekip, bilgisayar ağı saldırıları üzerine bir araştırma yayınladı; bu araştırma, (yeni bitcoin’ler çıkartılırken gereken mutabakat süresi olan) on dakikalık pencerede Bitcoin’in şifrelemesini kırmak için 1,9 milyar kübit kapasiteli bir kuantum bilgisayar gerektireceğini hesapladı. Bu tabii çok uçuk bir sayı. Daha düşük, mesela, 317 milyon kübit kullansaydınız bir saat, 13 milyon kübit için ise bir gün gerekecekti. Kıyaslamanız için söyleyeyim, IBM’in süper iletken kuantum bilgisayarı şu anda 127 kübitlik bir işlemciye sahip. (Kaynak.4) Yani işin özeti, Bitcoin (para olanı küçük, ağ olanı büyük B ile yazıyorum) düzeyinde bir kripto ağının kırılabilmesi için gereken ekipman henüz dünyada yok, yakın zamanda da olabilecek gibi görünmüyor. Ancak, yukarıda anlattığım 22 yaşındaki Türk gencinin 15-20 yıllık emeğinin sonucunda ortaya çıkabilecek olan yeni nesil kuantum bilgisayarının bu paradigmayı değiştirebileceğini şimdiden öngörebiliyorum.

Not: Eğer kuantum algoritmalarını denemek isteyen 22 yaşında bir Türk genciyseniz ve yazının bu noktasına kadar geldiyseniz, pratik olarak Sudoku problemlerini çözen Grovers algoritması örneği için 5 numaralı kaynağa bakabilirsiniz.

Kaynaklar: