1984년 IBM의 토마스 J. 왓슨 연구 센터의 Charles H. Bennett과 Gilles Brassard가 처음 이론화한 양자 키 분배(QKD)는 가장 일반적인 양자 암호화 유형입니다. QKD 시스템은 일반적으로 보안 데이터 자체를 암호화하는 데 사용되는 것이 아니라, 두 당사자가 공동으로 공유 개인 키를 구축하여 기존의 대칭 키 암호화 방식에 사용할 수 있는 안전한 키 교환을 만드는 데 사용됩니다.

QKD 시스템은 광섬유 케이블을 통해 개별 광자 빛 입자를 보내는 방식으로 작동합니다. 이 광자 스트림은 단일 방향으로 이동하며 각 광자는 데이터의 단일 비트 또는 큐비트(0 또는 1)를 나타냅니다. 발신자 측의 편광 필터는 각 단일 광자의 물리적 방향을 특정 위치로 변경하고, 수신자는 사용 가능한 두 개의 빔 스플리터를 사용하여 수신되는 각 광자의 위치를 읽습니다. 송신자와 수신자는 전송된 광자 위치를 디코딩된 위치와 비교하고, 일치하는 세트가 키가 됩니다. 

QKD를 더 잘 이해하려면 보안 연결을 설정해야 하는 Alice와 Bob이라는 두 사람을 상상해 보세요. QKD를 사용하여 광섬유 케이블을 통해 편광 광자를 전송하여 안전한 암호화 키를 생성할 수 있습니다. 각 광자는 고유한 무작위 양자 상태를 갖기 때문에 케이블을 고정할 필요가 없습니다. 예를 들어 Eve라는 사람이 엿듣더라도 Alice와 Bob은 언제나 알 수 있을 것입니다. 왜냐하면 양자 상태에 영향을 주지 않고는 관찰하는 것은 불가능하기 때문입니다. 이러한 방식으로 QKD 시스템은 해킹할 수 없는 것으로 간주됩니다. Bob과 Alice가 광자의 양자 상태 변화를 감지하면, Eve가 엿듣고 있다는 것을 알게 될 것입니다. 그리고 Eve가 엿듣고 있다면, Bob과 Alice는 항상 그 을 감지할 수 있을 것입니다.

실험실과 현장 환경 모두에서 QKD의 이점이 입증되었지만, 광범위한 도입을 막는 여러 가지 실질적인 문제, 특히 인프라 요구 사항이 있습니다. 광섬유 케이블을 통해 전송된 광자는 약 248~310마일의 거리에서 성능이 저하됩니다. 그러나 최근의 발전으로 인해 보안 노드와 광자 중계기를 사용하여 대륙 전체에 걸쳐 일부 QKD 시스템의 범위가 확장되었습니다.

양자 동전 던지기는 서로를 신뢰하지 않는 두 당사자가 일련의 매개변수에 합의할 수 있도록 하는 일종의 암호화 프리미티브(알고리즘의 기본 구성 요소)입니다. Bob과 Alice가 전화 통화를 하고 동전 던지기에 돈을 걸고 싶지만 Bob만이 동전에 접근할 수 있다고 상상해 보세요. Alice가 앞면에 베팅을 하면 Bob이 동전이 앞면에 떨어졌는데도 뒷면에 떨어졌다고 거짓말을 하지 않을 거라고 어떻게 확신할 수 있을까요?

이러한 유형의 50:50 베팅은 Bob이 Alice에게 두 가지 방향 중 하나에 따라 편광된 일련의 광자를 보내고, 각 광자의 특정 스핀을 1 또는 0으로 기록하고 극성을 설정하는 데 사용하는 필터를 기록함으로써 달성할 수 있습니다. 그런 다음 Alice는 각 광자의 편광을 판독하는 데 어떤 필터를 사용할지 추측할 수 있으며, 이를 통해 판독값을 Bob의 표기법과 비교하여 Bob이 한 극성 세트를 선택했는지 다른 극성 세트를 선택했는지 추측할 수 있습니다. Bob 또는 Alice 중 한 명이 상대방의 부정 행위를 의심하는 경우, 인증을 위해 편광 필터에서 측정한 판독값을 비교할 수 있습니다.

연구자들은 직접 암호화, 디지털 서명, 양자 얽힘 및 기타 형태의 양자 통신을 통합하는 추가적인 유형의 양자 암호학을 계속 연구하고 있습니다. 다른 유형의 양자 암호화에는 다음이 포함됩니다.

• 위치 기반 양자 암호화
• 기기 독립적 양자 암호화
• Kek 프로토콜
• Y-00 프로토콜