Bu çalışmada, kuantum sonrası kriptografi alanında Türkiye’deki akademik araştırmaların güncel durumu ele alınarak nitelikli araştırmacı yetiştirilmesi odağında neler yapıldığının gösterilmesi amaçlanmıştır. Bu hedef doğrultusunda kuantum sonrası kriptografi (post-quantum cryptography - PQC) tanımı yapılarak uluslararası kuruluşlar tarafından duyurulan gereksinimler, PQC’de yaygın kullanılan kriptosistem aileleri ve bazı açık problemler ele alınmıştır. Türkiye’de PQC alanında nitelikli araştırmacıların ortaya çıkma süreci ve yapılan akademik çalışmalara bir bakış sunabilmek için bibliyometrik analizler yapılmıştır. İlk analiz için ulusal tez merkezi üzerinden sunulan verilere erişim amacıyla sistematik bir araştırma yöntemi oluşturularak 42 anahtar kelime üzerinden ilgili tezler belirlenmiştir. Oluşturulan kriterleri karşılayan ve Türkiye’de bu alanla ilişkili olduğu tespit edilen açık erişimli 47 lisansüstü tez özelinde sınıflandırma, nitelik (PQC açısından katkı, yazılan dil, yüksek lisans doktora dağılımı vb.) inceleme, yıllar içindeki gelişim, üniversite/enstitü/anabilim dalı özelinde dağılım, cinsiyet ve danışman değerlendirmeleri noktasında analizler gerçekleştirilmiştir. İkinci analiz için Türkiye adresli araştırmacıların bu alanda yaptığı güncel akademik çalışmalara (makale/bildiri/kitap/kitap bölümü/derleme) erişimde Scopus veritabanı üzerinden elde edilen veriler kullanılmıştır. İki farklı analiz ile sunulan bilgiler kriptografinin güncel konularından biri olan PQC alanında Türkiye’deki güncel durumun bir resmini sunmakla birlikte kariyer planlaması yapan araştırmacılar için hem yol haritası olma hem de kaynaklara erişim noktasında bir rehber niteliğindedir.
Bu çalışmada, kuantum sonrası kriptografi alanında Türkiye’deki akademik araştırmaların güncel durumu ele alınarak nitelikli araştırmacı yetiştirilmesi odağında neler yapıldığının gösterilmesi amaçlanmıştır. Bu hedef doğrultusunda kuantum sonrası kriptografi (post-quantum cryptography - PQC) tanımı yapılarak uluslararası kuruluşlar tarafından duyurulan gereksinimler, PQC’de yaygın kullanılan kriptosistem aileleri ve bazı açık problemler ele alınmıştır. Türkiye’de PQC alanında nitelikli araştırmacıların ortaya çıkma süreci ve yapılan akademik çalışmalara bir bakış sunabilmek için bibliyometrik analizler yapılmıştır. İlk analiz için ulusal tez merkezi üzerinden sunulan verilere erişim amacıyla sistematik bir araştırma yöntemi oluşturularak 42 anahtar kelime üzerinden ilgili tezler belirlenmiştir. Oluşturulan kriterleri karşılayan ve Türkiye’de bu alanla ilişkili olduğu tespit edilen açık erişimli 47 lisansüstü tez özelinde sınıflandırma, nitelik (PQC açısından katkı, yazılan dil, yüksek lisans doktora dağılımı vb.) inceleme, yıllar içindeki gelişim, üniversite/enstitü/anabilim dalı özelinde dağılım, cinsiyet ve danışman değerlendirmeleri noktasında analizler gerçekleştirilmiştir. İkinci analiz için Türkiye adresli araştırmacıların bu alanda yaptığı güncel akademik çalışmalara (makale/bildiri/kitap/kitap bölümü/derleme) erişimde Scopus veritabanı üzerinden elde edilen veriler kullanılmıştır. İki farklı analiz ile sunulan bilgiler kriptografinin güncel konularından biri olan PQC alanında Türkiye’deki güncel durumun bir resmini sunmakla birlikte kariyer planlaması yapan araştırmacılar için hem yol haritası olma hem de kaynaklara erişim noktasında bir rehber niteliğindedir.
Araştırmanın amacı kuantum öğrenme modelinin (KÖM) Türkiye'de yapılmış lisansüstü tez çalışmalarında ele alınış biçimini incelemektir. Bu bağlamda çalışma, Türkiye'de 2006-2018 yılları arasında kuantum öğrenme üzerine yapılmış Yükseköğretim Kurulu'na kayıtlı lisansüstü tezlerin doküman incelemesi üzerine yapılandırılmıştır. Tezler, Yüksek Öğretim Kurulu Ulusal Tez Merkezi (YÖK)'nin internet sayfasından 'kuantum öğrenme', anahtar kelimesi ile taranarak belirlenmiştir. Tezler incelenirken araştırma soruları bir tezde bulunması gereken kuramsal çerçevedeki temel bölümler dikkate alınarak belirlenmiştir. Araştırma soruları doğrultusunda tezler demografik özellikleri (tür, yıl, üniversite, enstitü, anabilim dalı, sayfa sayısı aralığı), konu, araştırmaların bağımlı-bağımsız değişkenleri, örneklem özellikleri (örneklem büyüklüğü, örneklem kademesi), araştırmaların türü, kullanılan veri toplama araçları, araştırmalarda elde edilen bulgular bakımından incelenmiştir. Elde edilen bulgular kodlama sonrası tablolaştırılmıştır. Araştırmada, kuantum öğrenme konusunu ele almış ve bu tezler çalışma gurubunu oluşturmuştur. Doküman incelemesi kapsamında incelenen çalışmaların 4'ü doktora, 12'si yüksek lisans tezinden oluşmaktadır. Diğer taraftan 2014 yılından sonra çalışmaların sayısının arttığını söylemek mümkündür. Söz konusu tezlerin belirli zaman dilimlerinde 13 farklı üniversitede ve çoğunlukla ilköğretim anabilim dalında ve fen bilgisi eğitimi bilim dalında çalışıldığı dikkati çekmektedir. Son olarak ise kuantum öğrenme modelinde çoğunlukla akademik başarı irdelenmiştir. Bu çalışmanın öncelikle kuantum öğrenmenin doğasının anlaşılmasının yanında yapılması planlanan çalışmalara yön göstereceği düşünülmektedir.
Şifreleme sistemleri gizli değerlerin korunmasını sağlamakta olan sistemlerdir. Bu sistemlere karşı son yıllarda kuantum bilgisayarlar üzerinde çok sayıda araştırmalar yapılmaktadır. Yeterli işlem kapasitesine sahip kuantum bilgisayarlar üretildiğinde günümüzde kullanılmakta olan açık anahtarlı şifreleme sistemlerinin güvensiz duruma geleceği düşünülmektedir. Bu durum internet üzerindeki haberleşmenin güvenliğini tehlikeye atmaktadır. Bu durumdan dolayı, kuantum bilgisayarlara karşı güvenli sistemlerin oluşturulması için kuantum bilgisayarların günlük hayata girmesinin beklenmemesi gerektiği düşünülmektedir. NIST bu doğrultuda hem günümüz hem de kuantum bilgisayarlardan gelecek ataklara karşı dayanıklı kriptosistemlerin üretilmesi için bir standartlaştırma proje başlatmıştır. Bu süreçte birçok sistem önerilmiştir. Kafes tabanlı sistemler en çok gelecek vadeden sistemler olarak ön plana çıkmıştır. Kafes tabanlı kriptosistemler kafes yapısı üzerinde tanımlı olan LWE gibi problemlerin çözümlerinin zorluğuna dayanarak önerilmiş olan sistemlerdir. Fakat yan kanal saldırıları ile kriptografik sistemler çalışırken çıkan bilgiler toplanarak gizli anahtar hakkında bilgi edinilebilmektedir. Bu durumdan dolayı NIST kuantum bilgisayarlara karşı dayanıklı şifreleme sistemleri için yaptığı çağrının yanı sıra, yapılacak sistemlerin minimum maliyetle yan kanal saldırılarına karşı dayanıklı olmasını gerektiğini söylemiştir. 2016 yılında Bindel ve arkadaşlarının yaptıkları bir çalışmada uygulama atağı olarak sınıflandırılan ve bir yan kanal saldırı çeşidi olan hata ataklarını önermişlerdir. 2018 yılında Han ve arkadaşları yaptıkları bir çalışmada, 2016 yılında önerilen yöntemleri kullanarak Lizard protokolünde gizli anahtarı elde edebildiklerini söylemişlerdir ve bu ataklara karşı alınabilecek önlemlerden bahsetmişlerdir. Bu çalışmada; önceden yapılan çalışmalarda önerilenler ve kriptosistemlerin uygulamalarında olması gereken özellikler doğrultusunda Lizard protokolünün uygulaması üzerinde yapılan değişikliklerden ve bu değişikliklerin uygulama üzerindeki etkilerinden bahsedilmiştir. Protokolün uygulamasının güvenliği artırılmış ve gerçekleştirilen bazı hata ataklarına karşı önlem alınmıştır. Yapılan değişikliklerden sonra protokolün çalışma süresinde hızlanma olduğu gözlemlenmiştir.
Kuantum anahtar dağıtımı (KAD) kuantum mekaniğinin temel yasalarına dayalı güvenli bilgi teknolojileri kapsamında önerilmiş birçok uygulama arasında pratik kullanıma en yakın olanıdır. KAD iki kullanıcı arasında güvenli bilgi paylaşımı için kullanılan anahtarın üretilmesini ve dağıtılmasını sağlar. KAD sistemlerinin çalışma prensibinin ve sağladığı güvenliğin temelinde anahtarın tek fotonlar üzerinden kullanıcılar arasında dağıtılması vardır. Bu sebeple, verimli tek foton kaynakları KAD sistemleri için kritik öneme sahiptir. Literatürde farklı tek-foton kaynakları ile KAD gösterimleri mevcuttur ancak elde edilen anahtar üretim oranları ve güvenlik seviyeleri tek-foton kaynaklarının performanslarından kaynaklanan sebeplerle istenilen değerlere ulaşamamıştır. Bu sebeple, özellikle oda sıcaklığında ışıyan verimli tek-foton kaynaklarına yönelik araştırmalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. Bu projede alternatif olarak son zamanlarda popüler olan altigen bor nitrür (hBN) içerisindeki kusur merkezleri KAD için tek-foton kaynağı olarak çalışıldı. HBN bilinen diğer iki boyutlu malzemelerden farklı olarak sahip olduğu geniş bant aralığı sayesinde (~5.5 eV) farklı enerji değerlerine sahip kusur merkezleri barındırır. Böylece, mor-ötesinden görünür bölgeye kadar olan geniş bir spektrumda tek-foton ışıması elde edilebilir. Ayrıca, hBN kusur merkezlerinden elde edilen tek-foton ışımasını 800 K gibi çok yüksek sıcaklıklarda da gözlemlemek mümkündür. Bütün bu özellikleri nedeniyle hBN malzemesinin kuantum bilgi teknolojileri, metroloji ve sensör teknolojileri gibi farklı alanlarda ve farklı ortam koşullarında kullanılabileceği düşünülmektedir. Bu proje kapsamında hBN içerisindeki kusur merkezlerinden elde edilen sıfır-fonon çizgisi (ZPL) ışımasının kuantum optik özelliklerinin incelendi ve bu yapılar ile ilk defa B92 protokolüne dayalı açık-hava KAD gösterimi yapıldı.
Sıkıştırılmış Algılama (SA), son zamanlarda veri boyutunun ve sensör sistemlerinin azaltılması gibi çok fazla uygulamayı mümkün kılmasından dolayı çok önemli bir araştırma alanı olmuştur. Datayı önce elde edip, onu sonra sıkıştırması yerine sıkıştırılmış algılamada veri, sıkıştırılmış formda işlem görmektedir. Bu uygulama sensör sayısının azaltılmasına neden olmaktadır. Bu çalışmada eş zamanlı sıkıştırılmış algılama ile yeni bir kriptografi uygulaması ve bu sayede haberleşme alanındaki önemli iki problem olan efektif/etkin/verimli işaret işleme ve bu işareti güvenli olarak iletme konularına alternatif çözüm araştırması amaçlanmıştır. Bu çalışmada sıkıştırılmış algılama için Dik Eşleştirme Arayış (DEA) algoritması kullanılmıştır. Daha sonra, hem sıkıştırma hem de şifreleme başarmak için SA-DEA algoritması ile çift rastgele faz şifreleme (DRPE) yöntemi birleştirilmiştir. Yüksek güvenlik elde etmek için sıkıştırılmış algılamada ve DRPE metodunda kullanılan anahtarlar alıcıya asimetrik kriptografi metodu ile iletilmiştir. DRPE simetrik optiksel şifreleme metodu olduğundan tüm kriptografik sistem, hibrit optiksel sistem (hem simetrik hem de asimetrik) olarak çalışmaktadır.
Tüm dünyada Kuantum’un 2.devrimi ile Kuantum hesaplama alanında bir yarış başlamıştır. Günümüz teknolojisi ile kuantum mekaniğini temel alan kuantum bilgisayarları, bebek adımları ile gelişmeye başlamış, büyüyen dev adımlarla da gelişme sürecini sürdürmektedir. Saf kuantum bilgisayarları gelişirken, klasik bilgisayarların uzun işlem sürelerinde çözdüğü problemleri, Kuantum Tavlamanın istatistiksel verilerini kullanarak daha hızlı hesaplama yapabilen “Hibrit” bilgisayarlar hemen çözmeye hazırdır. Kuantum tavlama, geliştirilen yöntemlerle, (Ising Model, Binary Quadratic Model, Quadratic unconstrained Binary Optimizasyon) yoğun bir şekilde kullanılmaya başlamıştır. Bu amaçla, D-Wave, IBM, Rigetti, Qilimanjaro gibi firmalar bu alanda yoğunlaşmışlardır. Bu firmaların çözümleri (D-Wave’in Dimod, Networkx vb.) gelişmeye katkı vermektedirler. Atatürk’ün emaneti olan Türkiye Cumhuriyeti’nin 100’üncü yılında, Türkiye’de, kuantum hesaplama ve kuantum tavlamaya dönük farkındalık yaratmak için bu makaleyi yazma ihtiyacı doğmuştur. Quantum alanında yürütülen araştırmaların yakın gelecekteki amacının çözüm bekleyen endüstriyel uygulamalar için kuantum tavlama temelinde hazırlanacak yazılımların geliştirilmesi yönünde olacağı düşünülmektedir. Bu makalede ele alınan hususlar, literatürde yaygın olarak referans yapılan kaynaklardan derlenmiştir. Kuantum hesaplama ve Kuantum tavlamanın, yapısı, nasıl çalıştığı, hangi çözüm platformlarının olduğu, avantajları ve kısıtları okuyucuya aktarılmıştır.
Amerikalı matematikçi Peter Shor 1994’te geliştirmiş olduğu algoritma ile şifrekıran kuantum bilgisayarların da yardımıyla ayrık logaritma ve çarpanlara ayırma problemlerinin polinom zamanda çözülebileceğini göstermiştir. Bugün İnternet, güvenliği bu iki problemin zorluğuna dayanan Diffie Hellman anahtar kurulum algoritmasına ve RSA kriptosistemine dayanmaktadır. Her ne kadar şifrekıran kuantum bilgisayarlar henüz geliştirilememiş olsa da kötü niyetli İnternet kullanıcıları şimdi depola, sonra deşifrele yaklaşımını kullanarak İnternet trafiğini depolayıp bu bilgisayarlar geliştirildiğinde onlardan faydalanarak şifrelenmiş mesajların içeriğine erişebileceklerdir. NIST bunu önlemek amacıyla 2016 yılında bir standartlaştırma süreci başlatmıştır. Tüm ilgilileri şifrekıran kuantum bilgisayarlara dayanıklı açık anahtarlı şifreleme ve anahtar kurulum algoritmaları ile dijital imza algoritmaları geliştirip bu sürece katkıda bulunmaya davet etmiştir. NIST üç değerlendirme turunun ardından 2022’de standartlaştırmaya karar verdiği dört algoritmayı açıkladı: Kyber, Dilithium, SPHINCS+ ve Falcon. 2024’te bu algoritmaların ilk üçü sırasıyla ML-KEM, ML-DSA ve SLH-DSA isimleriyle ve yine sırasıyla FIPS 203, FIPS 204 ve FIPS 205 kodlarıyla standartlaştırılmıştır. Falcon’un standartlaştırılması ileri bir tarihe ertelenmekle birlikte açık anahtarlı şifreleme ve anahtar kurulumunda kullanılmak üzere sunulan bazı algoritmaların dördüncü tur değerlendirmeleri halihazırda devam etmektedir. Biz bu çalışmada standartlaştırılmış bu üç algoritmanın çalışma prensiplerini açıkladık ve farklı güvenlik seviyesi sağlayan değişkelerin performanslarını ürettiği anahtarların, şifreli metinlerin, dijital imzaların uzunluğuna ve kapsülleme/dekapsülleme, dijital imza üretme/doğrulama sürelerine göre test ettik. Test sonuçları bize ML-KEM algoritmasının şimdiden anahtar kurulumunda kullanılabileceğini, kullanım gerekliliklerine göre ML-DSA ve SLH-DSA algoritmalarından birinin tercih edilebileceğini göstermiştir.