Die Quantenschlüsselverteilung (QKD) wurde ursprünglich 1984 von Charles H. Bennett (vom IBM Thomas J. Watson Research Center) und Gilles Brassard theoretisiert und ist die häufigste Art der Quantenkryptografie. QKD-Systeme werden in der Regel nicht zur Verschlüsselung sicherer Daten selbst verwendet, sondern für einen sicheren Schlüsselaustausch zwischen zwei Parteien, indem gemeinsam ein gemeinsamer privater Schlüssel erstellt wird, der wiederum für herkömmliche symmetrische Verschlüsselungsmethoden verwendet werden kann.

QKD-Systeme funktionieren, indem einzelne Photonlichtpartikel über ein Glasfaserkabel gesendet werden. Dieser Photonenstrom bewegt sich in einer einzigen Richtung, und jedes Photon repräsentiert ein einzelnes Bit oder Qubit an Daten – entweder Null oder Eins. Polarisierte Filter auf der Senderseite ändern die physikalische Ausrichtung jedes einzelnen Photons zu einer bestimmten Position, und der Empfänger verwendet zwei verfügbare Strahlteiler, um die Position jedes Photons beim Empfang abzulesen. Sender und Empfänger vergleichen die Positionen der gesendeten Photonen mit den dekodierten Positionen, und der entsprechende Satz wird zum Schlüssel. 

Um QKD besser zu verstehen, stellen Sie sich zwei Personen vor, Alice und Bob, die eine sichere Verbindung aufbauen müssen. Sie können QKD verwenden, um einen sicheren kryptografischen Schlüssel zu erstellen, indem polarisierte Photonen über ein Glasfaserkabel gesendet werden. Das Kabel muss nicht gesichert werden, da jeder Photon seinen eigenen randomisierten Quantenstatus hat. Sollte jemand, nennen wir sie Eva, lauschen, werden Alice und Bob es immer bemerken, denn es ist unmöglich, einen Quantenzustand zu beobachten, ohne ihn auch zu beeinflussen. QKD-Systeme gelten daher als nicht hackbar. Wenn Bob und Alice eine Änderung in den Quantenstatus der Photonen erkennen, wissen sie, dass Eva sie abhört. Und wenn Eva sie abhört, werden Bob und Alice es immer bemerken.

Obwohl die Vorteile von QKD sowohl im Labor als auch im Feldeinsatz nachgewiesen wurden, gibt es viele praktische Herausforderungen, die einer breiten Einführung entgegenstehen, vor allem Infrastrukturanforderungen. Photonen, die über Glasfaserkabel gesendet werden, zersetzen sich über Entfernungen von etwa 248 bis 310 Meilen. Jüngste Fortschritte haben jedoch die Reichweite einiger QKD-Systeme durch den Einsatz von sicheren Knotenpunkten und Photonen-Repeatern über Kontinente hinweg erweitert.

Das Quantenmünzwerfen ist eine Art kryptografisches Primitivum (eine Art Baustein für Algorithmen), das es zwei Parteien, die einander nicht vertrauen, ermöglicht, sich auf eine Reihe von Parametern zu einigen. Stellen Sie sich vor, Bob und Alice telefonieren und möchten auf einen Münzwurf wetten, aber nur Bob hat Zugriff auf die Münze. Wenn Alice auf Kopf setzt, wie kann sie sicher sein, dass Bob nicht lügt und sagt, die Münze sei auf Zahl gelandet, selbst wenn sie auf Kopf fällt?

Diese Art von 50:50-Wette kann erreicht werden, indem Bob Alice eine Reihe von Photonen schickt, die in einer von zwei Richtungen polarisiert sind, und sich die spezifischen Spins jedes Photons als Eins oder Null notiert, sowie die Filter, die er verwendet, um ihre Polaritäten einzustellen. Alice kann dann erraten, mit welchem Filter sie die Polarisation für jedes einzelne Photon ablesen soll, und anhand dessen kann sie ihre Messwerte mit Bobs Aufzeichnungen vergleichen und erraten, ob Bob die eine oder andere Polarität gewählt hat. Wenn Bob oder Alice den Verdacht haben, dass der andere betrügt, können sie die von den Polarisationsfiltern gemessenen Messwerte zur Authentifizierung vergleichen.

Forscher erforschen weiterhin weitere Arten der Quantenkryptologie, die direkte Verschlüsselung, digitale Signaturen, Quantenverschränkung und andere Formen der Quantenkommunikation umfassen. Zu den weiteren Arten der Quantenverschlüsselung gehören die folgenden:

• Positionsbasierte Quantenkryptografie
• Geräteunabhängige Quantenkryptografie
• Kek-Protokoll
• Y-00 Protokoll