توزیع کلید کوانتومی
تبادل کلید کوانتومی > پروتکل BB84: چارلز اچ. بنت و گیلز براسارد (1984)

این پروتکل که بر اساس نام مخترعان و سال انتشارش BB84 نامیده شده، در ابتدا با حالات فوتون پولاریزه اطلاعات را منتقل می‌کرد. اما هر جفتی از حالت‌های مذدوج می‌توانند برای این پروتوکل استفاده شوند و تعداد زیادی از پیاده سازی‌های مبتنی بر فیبر نوری که به عنوان BB84 توصیف می‌شوند از حالات ذخیره شده در فاز بهره می‌برند. فرستنده (که معمولاً به او نام آلیس داده می‌شود) و گیرنده (باب) توسط یک کانال کوانتومی با یکدیگر ارتباط دارند که امکان تبادل حالات کوانتومی را فراهم می‌کند. در صورت استفاده از فوتون‌ها این کانال معمولاً فیبر نوری یا خلاء است. علاوه بر این، آن‌ها از طریق اینترنت یا رادیو یک ارتباط عمومی کلاسیک نیز دارند. پروتکل با این فرض طراحی شده که یک شنودگر (معمولاً با نام ایو) می‌تواند به روش‌های مختلف در کانال کوانتومی اختلال ایجاد کند، اما کانال کلاسیک نیاز به اصالت‌سنجی دارد.
امنیت این پروتکل از ذخیره‌ی اطلاعات در حالات نامتعامد ناشی می‌شود. نامعلومی کوانتومی به این معناست که این حالات نمی‌توانند بدون ایجاد اختلال در حالت اصلی اندازه‌گیری شوند (نظریه‌ی کپی ناپذیری را ببینید). پروتکل BB84 از دو جفت حالت استفاده می‌کند که هر جفت نسبت به دیگری متعامد است و دو حالت درون هر جفت نسبت به هم متعامد هستند. جفتی از حالات متعامد پایه نام دارد. جفت حالات پولاریزه‌ی مورد استفاده معمولاً پایه‌ی مستطیلی عمودی (0°) و افقی (90°)، پایه‌ی قطری 45° و 135° یا پایه‌ی دایره‌ای سمت چپ-راست است. هر جفت از این پایه‌ها نسبت به هم مذدوج هستند، لذا هر دوتا از آن‌ها می‌توانند در پروتکل استفاده شوند. در زیر پایه‌های مستطیلی و قطری استفاده شده‌اند.
| پایه | 0 | 1 |
| --- | --- | --- |
: 
: 
اولین مرحله در BB84 ارتباط کوانتومی است. آلیس یک بیت تصادفی (0 یا 1) انتخاب می‌کند و سپس یکی از دو پایه‌ی خود را (در این مثال مستطیلی یا قطری) برای انتقال آن برمی‌گزیند. او سپس یک حالت پولاریزاسیون فوتون را با توجه به مقدار بیت و پایه مطابق جدول کناری انتخاب می‌کند. برای مثال 0 در پایه‌ی مستطیلی (+) به عنوان یک حالت عمودی ذخیره می‌شود، و 1 در پایه‌ی قطری (x) به حالت 135° در می‌آید. سپس آلیس یک فوتون را در این حالت با استفاده از کانال کوانتومی به باب ارسال می‌کند. این فرایند از مرحله‌ی انتخاب بیت رندوم تکرار می‌شود و آلیس حالت، پایه و زمان ارسال هر فوتون را ثبت می‌کند.
طبق مکانیک کوانتومی (مخصوصا نامعلومی کوانتومی)، هیچ اندازه‌گیری ممکنی نمی‌تواند بین چهار حالت پولاریزاسیون تمایز را تشخیص دهد زیرا همه‌ی آن‌ها متعامد نیستند. تنها اندازه‌گیری ممکن بین دو حالت متعامد (پایه‌ای متعامد) است. بنابراین به طور مثال اندازه‌گیری در پایه‌ی مستطیلی نتیجه‌ی عمودی یا افقی درپی خواهد داشت. اگر فوتون در حالت افقی یا عمودی (یک حالت ویژهی کوانتومی) آماده شده باشد این اندازه‌گیری حالت درست را تشخیص می‌دهد، اما اگر فوتون در حالت 45° یا 135° آماده شده باشد اندازه‌گیری در پایه‌ی مستطیلی به طور تصادفی نتیجه‌ی افقی یا عمودی خواهد داشت. همچنین بعد از این اندازه‌گیری، پولاریزاسیون فوتون در حالتی که اندازه‌گیری شده خواهد بود (افقی یا عمودی) و تمامی اطلاعات درباره‌ی پولاریزاسیون اولیه‌ی آن از دست خواهد رفت.
از آنجایی که باب پایه‌ای که فوتون‌ها در آن ذخیره شده‌اند را نمی‌داند، تنها می‌تواند یک پایه را  تصادف انتخاب کرده و در آن اندازه‌گیری کند. او این کار را برای هر فوتونی که دریافت کند انجام می‌دهد و در عین حال زمان، پایه‌ی اندازه‌گیری و حالت اندازه‌گیری شده را ثبت می‌کند. پس از آن که باب همه‌ی فوتون‌ها را دریافت کرد با آلیس در کانال عمومی کلاسیک ارتباط برقرار می‌کند. آلیس پایه‌ی فوتون‌هایی که ارسال کرده را برای باب می‌فرستد و باب نیز پایه‌هایی که در آن‌ها اندازه‌گیری انجام داده را برای آلیس ارسال می‌کند. هردوی آن‌ها اندازه‌گیری (بیت) هایی را که باب در پایه‌ی نادرست اندازه‌گیری کرده دور می‌ریزند که به طور میانگین نصف بیت‌ها خواهد بود و  از نصف باقی مانده‌ی بیت‌ها به عنوان کلید اشتراکی استفاده می‌کنند.
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| بیت تصادفی آلیس | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
پایه‌ی تصادفی آلیس: 
پولاریزاسیون فوتون ارسال شده‌ی آلیس: 
پایه‌ی تصادفی باب: 
پولاریزاسیون اندازه‌گیری شده‌ی باب: 
ارتباط عمومی درباره‌ی پایه: 
| کلید اشتراکی مخفی | 0 |  | 1 |  |  | 0 |  | 1 |
برای بررسی وجود یک شنودگر، آلیس و باب زیرمجموعه‌ی از پیش تعیین شده‌ای از بیت‌های باقی مانده را با هم مقایسه می‌کنند. اگر شخص ثالثی (معمولاً با نام ایو) به اطلاعات پولاریزاسیون فوتون‌ها دست یافته باشد، این موضوع باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری‌های باب می‌شود. سایر شرایط محیطی به شکل مشابهی می‌توانند باعث ایجاد خطا شوند. اگر بیشتر از  p بیت متفاوت باشد، کلید دور ریخته شده و آن‌ها دوباره تلاش می‌کنند. ارتباط جدید ممکن است با کانال کوانتومی جدیدی برقرار شود، زیرا امنیت کلید قابل تضمین نیست.  p به گونه‌ای انتخاب می‌شود که اگر بیت‌های شناخته شده توسط ایو از آن کمتر باشد، بتوان با تشدید حریم خصوصی و کاهش طول کلید دانش ایو از آن را نیز به مقدار دلخواه کاهش داد.