Kuantum hesaplama, enerjinin ve malzemenin atomik ve atom altı düzeylerdeki davranışını açıklayan kuantum teorisi ilkelerine dayanan ve bilgisayar teknolojisi geliştirmeye odaklanan bir bilgi işlem alanıdır. Kuantum fiziği yasalarını temel almış kuantum bilgisayar, birden fazla durumda bulunma ve tüm olası permütasyonları aynı anda kullanarak işlemleri gerçekleştirme yeteneği ile güçlü bir işlem gücü kazanmaktadır.

Klasik hesaplama, en üst düzeyde Boole cebri tarafından ifade edilen ilkelere dayanmaktadır. Veriler, zaman veya bit cinsinden herhangi bir noktada özel bir ikili durumda işlenmelidir. Her bir transistör veya kapasitörün anahtarlama durumlarından önce 0 veya 1'de olması gereken süre saniyenin milyarda biri olarak ölçülebilirken, bu cihazların duruma ne kadar hızlı geçiş yapabilecekleri konusunda bir sınır hala mevcuttur. Daha küçük ve daha hızlı devrelere doğru ilerledikçe, malzemelerin fiziksel sınırlamalarına ve klasik fizik yasalarının uygulanabileceği eşiğe ulaştığı görülmektedir. Sınırlamaların başladığı noktada kuantum dünyası bu durumu devralmaktadır. Bir kuantum bilgisayarında, elektronlar veya fotonlar gibi bir dizi temel parçacık, yükleri veya polarizasyonları 0 veya 1'in temsili olarak hareket ederek kullanılabilmektedir. Her biri bir kuantum biti veya kübit olarak bilinen bu parçacıkların doğası ve davranışı kuantum hesaplamanın temelini oluşturmaktadır.
Günümüzde kullanılan klasik bilgisayarlar, bilgileri yalnızca 1 veya 0 değerini alan bitler halinde kodlayabilmektedirler. Bu durum kısıtlayıcı bir etkendir. Kuantum hesaplama ise kuantum bitleri veya kübitleri kullanmaktadır. Buna göre kuantum hesaplamada bilgiler daha fazla değer alabilir. Yani bilgiler sadece 1 veya 0 değil, hem 1 hem 0 hem de 1 ve 0 olarak işlem görebilmektedir Süperpozisyon ve dolaşıklık, bu süper bilgisayarların dayandığı kuantum fiziğinin iki özelliğidir. Bu durum, kuantum bilgisayarların işlemleri geleneksel bilgisayarlardan çok daha yüksek hızlarda ve çok daha az enerji tüketimiyle gerçekleştirmesini sağlamaktadır.

Kuantum bilgisayarı kullanımının zorlukları aşağıdaki gibi Girişim, Hata Düzeltme ve Çıktı Gözlemi olarak başlıklar halinde açıklanmıştır.
Girişim: Kuantum hesaplamasının ölçüm aşaması sırasında, kuantum sistemindeki en ufak bir bozulma (başıboş bir foton veya EM radyasyon dalgası gibi), kuantum hesaplamanın çökmesine neden olmaktadır. Bu süreç de kuantum sisteminde uyumsuzluk olarak bilinmektedir. Bir kuantum bilgisayarı, hesaplama aşaması sırasında tüm dış müdahalelerden tamamen izole edilmelidir.
Hata Düzeltme: Kuantum hesaplamanın sistematiği göz önüne alındığında, hata düzeltme çok kritiktir. Kuantum hesaplamasındaki tek bir hata bile tüm hesaplamanın geçerliliğinin çökmesine neden olabilir.
Çıktı Gözlemi: Yukarıdaki Girişim ve Hata Düzeltme ile ilgili olarak, kuantum hesaplamasının tamamlanmasından sonra çıktı verilerinin alınması, verileri bozma riski taşımaktadır.

Financial Times’a göre Google, dünyanın en güçlü kuantum bilgisayarını başarıyla kurduğunu iddia etmektedir. Bu durum, Google’ın araştırmacılarına göre normalde gerçekleştirilmesi 10.000 yıldan uzun süren hesaplamaları kendi bilgisayarlarının yaklaşık 200 saniyede gerçekleştirdiği ve potansiyel olarak Blockchain’i destekleyen şifrelemeyi kırabileceği anlamına gelmektedir. Başka bir deyişle, kriptoda kullanılan asimetrik şifreleme, anahtar çiftlerine; özel ve genel anahtarlara dayanmaktadır. Genel anahtarlar, özel anahtar ile hesaplanabilirken bunun tersi mümkün değildir. Bu durum, bazı matematiksel problemlerin imkansızlığından kaynaklanmaktadır. Kuantum bilgisayarlar bu gibi büyük matematiksel işlemleri gerçekleştirmede daha verimlidir ve eğer hesaplama başka şekilde yapılırsa tüm şema bozulabilmektedir.
Google platformu bu konuda, Blockchain kriptografisi veya diğer şifrelemeler için tehdit oluşturabilecek bir kuantum bilgisayar oluşturmaya yönelik biraz uzakta hareket etmektedir. Imperial College London’da kuantum hesaplama ve şifreleme araştırmacısı olan Dragos Ilie, “Google’ın güçlü bilgisayarında şu anda 53 kübit vardır” şeklinde belirtmiştir. Ilie ayrıca “Bitcoin veya diğer finansal sistemlerin çoğu üzerinde herhangi bir etkiye sahip olmak için en az 1500 kübit gerekir ve sistem bunların hepsinin dolaşımda olmasına izin vermelidir” diye belirtmiştir ve kuantum bilgisayarlarını ölçeklendirmenin büyük bir zorluk olduğunu da vurgulamıştır.
Bitcoin mimarisini içeren Blockchain ağları iki algoritmaya dayanmaktadır, bunlar: Dijital imzalar için Eliptik Eğri Dijital İmza Algoritması (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm, ECDSA) ve hash fonksiyonu olarak bilinen SHA-256 olarak bilinmektedir. Kuantum bilgisayar, özel anahtarı genel anahtarın arkasındaki sistemden çıkarmak için Shor’un algoritmasını kullanabilir ancak olabilecek en iyi bilimsel tahminler mümkün olsa da gelecekteki on yılda gerçekleşmeyeceği belirtilmektedir.
Cornell Üniversitesi tarafından yayınlanan konuyla ilgili araştırma makalesine göre “160 bitlik bir eliptik eğri şifreleme anahtarı, yaklaşık 1000 kübit kullanan bir kuantum bilgisayarda kırılabilirken, güvenlik açısından eşdeğer 1024 bit RSA modülünün çarpanlara ayrılması yaklaşık 1500 ila 2000 kübit gerektirecektir.” şeklinde açıklanmıştır, buna karşılık Google’ın daha zayıf kalan 53 kübiti bu tür bir şifreleme ile eşleşmemektedir.
Eşleşmeme durumu, bunun gerçekleşmeyeceği anlamına gelmemektedir. Blockchain uygulamaları tarafından kullanılan yerel şifreleme algoritmaları şimdilik güvenli olsa da kuantum teknolojisindeki ilerleme hızının arttığı ve bu durumun zamanla bir tehdit oluşturabileceği de bir gerçektir. Google araştırmacıları, “Hesaplama güçlerinin katlanarak, üstel seyirde büyüyerek devam etmesini bekliyoruz.” şeklinde bir açıklamada bulunmuştur.

Kuantum kriptografisi, mesajların göndericisi veya alıcısının bilgisi olmadan tehlikeye atılmaya karşı tamamen güvenli bir şifreleme sistemi geliştirmek için fizik bilimini kullanmaktadır. Kuantum kelimesi, madde ve enerjinin en küçük parçacıklarının en temel davranışını ifade etmektedir. Kuantum kriptografisi ise, güvenlik modelinin önemli bir yönü olarak matematikten ziyade fiziğe dayanması bakımından geleneksel kriptografik sistemlerden farklıdır.
Kuantum kriptografisi, kırılmaz bir kriptosistem geliştirmek için bireysel parçacıkların ya da ışık dalgalarının (foton) içsel kuantum özelliklerinin kullanımına dayanmaktadır. Bunun sebebi ise herhangi bir sistemin kuantum durumu, o sistemi bozmadan ölçmenin imkansız olması ile ilgilidir. Kuantum şifreleme tekniği, bir anahtarı iletmek için fotonları kullanmaktadır. Anahtar iletildikten sonra, normal gizli anahtar yöntemi kullanılarak kodlama ve kod açılımı gerçekleştirilebilir. Bir fotonun nasıl bir anahtar haline geldiği, fotonun dönüşüne nasıl bilgi eklendiği ise şu şekildedir: Bu aşamada ikili kod devreye girmektedir, bir fotonun dönüşünün her türü, ikili kod için genellikle 1 veya 0 olmak üzere bir bilgiyi temsil etmektedir. Bu kod, tutarlı bir mesaj oluşturmak için 1'ler ve 0'lardan oluşan dizeleri kullanır. Örnek olarak, 11100100110 h-e-l-l-o (merhaba) kelimesine karşılık gelebilmektedir. Böylece her fotona bir ikili kod atanabilir, örnek olarak dikey dönüşü ( | ) olan bir fotona 1 atanabilmektedir.
Zürih Teorik Fizik Enstitüsü'nden fizikçi Renato Renner, “Sistemi doğru kurarsanız, hiçbir bilgisayar korsanı sistemi hackleyemez. Burada soru, sistemi doğru bir şekilde inşa etmenin ne anlama geldiğidir” şeklinde kuantum kriptografisini ifade etmiştir.
Kuantum olmayan şifreleme tekniği de çeşitli şekillerde çalışabilir ancak genellikle bir mesaj şifrelenir ve yalnızca gizli bir anahtar kullanılarak şifresi çözülebilir. İşin temel noktası, iletişimi gizlenen kişinin gizli anahtarı ele geçirmediğinden emin olmaktır. Modern bir kripto sisteminde özel anahtarı kırmak, genellikle iki büyük asal sayının çarpımı olan bir sayının çarpanlarını bulmayı gerektirmektedir. Bu sayılar o kadar büyük olacak şekilde seçilir ki bilgisayarların verili işlem gücüyle bir algoritmanın ürünlerini çarpanlara ayırması, evrenin ömründen daha uzun süre gerektirebilir.
Şifreleme tekniklerinin güvenlik açıkları bulunmaktadır. Zayıf anahtarlar olarak adlandırılan belirli ürünler, diğerlerinden daha kolay faktörler olabilmektedir. Ayrıca Moore Yasası, bilgisayarların işlem gücünü sürekli olarak artırmaktadır. Daha da önemlisi, matematikçiler sürekli olarak daha kolay çarpanlara ayırmaya izin veren yeni algoritmalar geliştirmektedirler. Kuantum kriptografisi tüm bu sorunları önlemektedir. Burada anahtar, gizli bilgileri paylaşmaya çalışan iki taraf arasında geçen bir dizi fotonla şifrelenmektedir. Heisenberg Belirsizlik İlkesi (Heisenberg Uncertainty Principle), gizli bilgilere ulaşmak isteyen bir kişinin bu fotonlara, onları değiştirmeden veya yok etmeden bakamayacağını belirtmektedir. New Mexico Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndan kuantum kriptografisi üzerinde çalışan fizikçi Richard Hughes ise bu konuda, “Bu durumda, rakibin hangi teknolojiye sahip olduğu önemli değil, fizik yasalarını asla çiğneyemeyecekler” şeklinde belirtmiştir.