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量子密钥分发 图片来自easyatm

量子密钥分发（quantum key distribution，简称QKD）是利用量子力学特性实现密码协议的安全通信|Secure communication方法。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密讯息。它常常被误称为量子密码学，因为它是量子密码学任务中最著名的例子。

量子密钥分发的一个最重要的，也是最独特的性质是：如果有第三方试图窃听密码，则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码，必须用某种方式测量它，而这些测量就会带来可察觉的异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传输信息，通信系统便可以检测是否存在窃听。当窃听低于一定标准，一个有安全保障的密钥就可以产生了。

量子密钥分发的安全性基于量子力学的基本原理，而传统密码学是基于某些数学算法的计算复杂度。传统密码学无法察觉窃听，也就无法保证密钥的安全性。QKD的安全性是是可以依据信息论证明的，而且它还具有前向安全性 。

量子密钥分发只用于产生和分发密钥，并没有传输任何实质的讯息。密钥可用于某些加密算法来加密讯息，加密过的讯息可以在标准信道中传输。跟量子密钥分发最常见的相关演算法就是一次性密码本，如果使用保密而随机的密钥，这种演算法是provably secure||具可证明的安全性。在实际的运用上，量子密钥分发常常被拿来与对称密钥加密的加密方式，如AES这类演算法一同使用。

协议

BB84协议

查尔斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）于1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。其实任意两组共轭状态都可以用于该协议，而且大多数BB84的基于光纤的实现都使用相位编码状态。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输讯息的。发送者（通常称为Alice）和接收者（通常称为Bob）用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量子信道可以是光纤或者简单的自由空间。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特网。公共信道的安全性不需考虑，BB84协议在设计时已考虑到了两种信道都被第三方（通常称为Eve）窃听的可能。

这个协议的安全性源于用非正交态。量子不确定性告诉我们，通常不能在不干扰原始状态的情况下测量这些状态（参见不可克隆原理）。BB84协议利用两对状态，分别是光子偏振的两个直线基"+"：水平偏振（0°）记作|→>，垂直偏振（90°）记作|↑>；和光子偏振的两个对角基"×"：45°偏振记作|↗>，和135°偏振记作|↘>。这两对状态互相不正交，无法被彻底的分辨。比如选择基"+"来测量|↑>，会以100%的概率得到|↑>。但选择基"+"来测量|↗>，结果是随机的，会以50%的概率得到|→>，或以50%的概率得到|↑>，而原始状态的讯息丢失了。也就是说，当测量后得到状态|↑>，我们不能确定原本的状态是|↑>还是|↗>，这两个不正交的状态无法被彻底分辨。

量子密钥交换

量子通讯中，讯息编码为量子态，或称量子比特，与此相对，经典通信中，讯息编码为比特。通常，光子被用来制备量子态。量子密码学利用量子态的特性来确保安全性。量子密钥分发有不同的实现方法，但根据所利用量子态特性的不同，可以分为两大类。

基于制备和测量的协议 

与经典物理不同，测量是量子力学不可分割的组成部分。一般来讲，测量一个未知的量子态会以某种形式改变该量子的状态。这被称为量子的不确定性，它的一些基本结论有维尔纳·海森堡的不确定性原理，信息干扰理论和不可克隆原理。这些性质可以被利用来检测通讯过程中的任何窃听（窃听必然需要测量），更重要的是，能够计算被截获讯息的数量。

基于纠缠态的协议 

两个或更多的量子态能够建立某种联系，使得他们无论距离多远依然要被看做是一个整体的量子态，而不是独立的个体。这被称为量子纠缠。他们之间的联系是，比如，对其中一个量子的测量会影响其他量子。如果纠缠的量子对被通讯的双方分别持有，任何对讯息的拦截会改变整个系统，使第三方的存在（以及他截获讯息的数量）被检测到。

这两大类方法中的每一类都可以进一步分为三类协议：连续或离散变量|Continuous or discrete variable|离散变量、连续变量和分布式相位参考编码。离散变量协议是第一个被发明的，也是最广泛实现的。其他两类主要关注克服实验的实用局限性。下面描述的两种协议都使用离散变量编码。