Kuantum kriptografi
BB84 Protokolü

Bu teknikte titreşim başına bir foton olacak şekilde polarize ışıkların titreşimleri kullanılır. Çizgisel ve dairesel olmak üzere iki çeşit polarizasyon düşünülmüştür. Çizgisel polarizasyon dikey veya yatay olabilir ve dairesel polarizasyon sol-elli veya sağ-elli olabilir. 1984 yılında Bennet ve Brassard adında iki bilim insanı tarafından yayınlanan makalede kuantum kriptografisinden bahsedildiği için bu algoritma BB84 olarak bilinmektedir. Bu makalede gönderici ve alıcı arasında güvenli iletişim için kullanılacak tek kullanımlık anahtarın göndericisi ve alıcısı (Alice ve Bob) tanımlanmıştır. Şifreli mesajı göndermek isteyen kişiyi A, almak isteyen kişiyi de B olarak düşünebiliriz. Hem A da hem de B de birbirleriyle 45 derecelik açı yapan iki kristal süzgeç çiftinin(+ ve X şeklinde iki süzgeç) olduğunu kabul ediyoruz. A ve B arasında bir optik fiber ağının olduğunu ve her iki tarafında foton üretebildiğini düşünüyoruz.
A ve B tarafı ortak bir temelde anlaşarak | ve / süzgeçleri için 0 değerinde, - ve \ süzgeçleri içi 1 değerinde anlaşırlar. Yani her iki tarafta | ve / yönünde polarize olmuş foton için 0 bitinin, - ve \ yönünde polarize olmuş foton için 1 bitinin geldiğini anlayacaklardır. Bu seçimin tam terside mümkündür.
A, iletişimde kullanılacak rastgele bir tek kullanımlık anahtar seçer. Bu anahtarı B ye gönderebilmek için BB84 algoritmasını kullanacaktır. Algoritmanın işleyiş sırası şu şekilde olacaktır.
Örneğin A (1 1 0 1 0 1 0 0 1 0) bit dizisini aşağıdaki süzgeç takımlarıyla göndermek istesin. Seçilen bitler ve süzgeç takımları tamamen rastgeledir. (2. inci satır gönderilmek istenen bitlerin foton karşılığının polarizasyon yönünü göstermektedir.)
1 1 0 1 0 1 0 0 1 0
- \ | - | \ / / \ |
B rastgele bir süzgeç takımı(+ veya X) seçer ve aşağıdaki yönlerde polarize olmuş fotonları elde eder. (İlk satır rastgele seçilen süzgeç takımlarını ikinci satır gelen fotonun bu süzgeç takımlarından geçirildiğinde meydana gelecek polarizasyonun yönünü, üçüncü satır ise ilgili polarizasyonun yönüne göre seçilmiş bit değerini belirtir.) Hatırlarsanız | ve /, 0 bitini - ve \ 1 bitini temsil ediyordu.
X X + X + X + + + X
\ \ | / | \ - - | -
1 1 0 0 0 1 1 1 0 1
Sonuç olarak B'nin elde ettiği bit dizisi A'nın göndermiş olduğu bit dizisi ile aynı değildir. İstatistiksel olarak A'nın gönderdiği bitlerin sayısının yarısı kadar bit B de aynıdır. Bu yüzden algoritmanın bundan sonraki aşamasında her iki tarafta da ortak olarak kullanılan bitlerin belirlenmesi gerekecektir.
B, A ya hangi bitler için hangi süzgeç çiftlerini kullandığını açık olarak iletir. Bunun üzerine A bu süzgeçlerden hangilerinin doğru seçim hangilerinin yanlış seçim olduğunu B ye iletir. Böylece hem A ve hem de B tarafından ortak olarak kullanılan süzgeç çiftlerine karşılık gelen bit dizisi tek kullanımlık anahtar olarak kullanılır. Sonuçta bu anahtar her iki tarafça da bilindiği için mesaj bu anahtar ile XOR işlemine sokularak iletişim güvenli hale getirilir. Mesajın XOR'lanması ve iki taraf arasındaki mesaj iletimi tamamen klasik yollarla yapılabilir. Kuantum kriptografisinin ana teması şifrelemede kullanılan tek kullanımlık anahtarın her iki tarafça pratik bir şekilde bilinir hale getirilmesini sağlamaktır.
Veri iletimi elektriksel işaretler yerine fotonlar ile yapılmaktadır. Dolayısıyla iletişim kanalı için fiber optik ağ gerekmektedir. Bu da kuantum kriptografi tekniğinin aslında sivil yaşamda kullanılamayacağını göstermektedir. Zaten bu teknik şu anda sadece askeri amaçlarla çok kısıtlı ölçülerde kullanılmaktadır. Ancak fiber kanallarının maliyeti ve bu ağların kurulum maliyeti düştükçe bu tekniğin sivil kullanımda görmek mümkün olacaktır. Fotonları alıcıdan vericiye göndermek için fiber optik ağ gerekli dedik. Aynı zamanda anahtarı alıcıya göndermek için foton tabancalarına(foton üreteci) ve kristal süzgeçlere ihtiyaç vardır. Anahtar iletişimi sırasında foton'un baz alınan bir sisteme göre herhangi bir açıyla polarize olma özelliğinden faydalanır. Fotonların dikeyde veya yatayda polarize olması için kristal süzgeç çiftleri kullanılır. Temel olarak birbirine dik olan iki süzgeç seçilir. Rastgeleliği artırmak için bir de bu süzgeçlerle 45 derecelik açı yapan ikinci bir süzgeç takımı kullanılır. Kuantum fiziğine göre 45 derecelik polarizasyonlu bir foton birbirine dik iki süzgeç takımından geçirildiğinde fotonun yeni polarizasyonunun yönü 45 derece olmayacaktır. Peki 0 derece mi yoksa 90 derecemi olacaktır. Bunun kesin bir cevabı yoktur. Ancak her iki polarizasyon yönü içinde olasılık eşittir. Yani 10000 tane 45 derecede polarize olmuş bir fotonu art arda dikey ve yatay konumda yerleştirilmiş kristal süzgeçlerinden geçirdiğimizde istatistiksel olarak 5000 tanesi dikey yönde 5000 tanesi de yatay yönde polarize olacaktır. Bu yönlerden birisi 0 diğer 1 seçilerek iletişim anlamlı hale getirilir. Şunu da unutmamak gerekir ki eğer bu açı 45 derece olmasaydı oran bu sefer 1/2 olmayacaktı. Matematiksel ve fiziksel veriler bu oranın ilgili açının kosinüs karesine eşit olduğunu göstermektedir. (cos245 = 1/2)