Kvanttisalaus
Kvanttisalausavainten vaihdon menetelmät > BB84-menetelmä

BB84-menetelmän julkaisivat Charles Bennett ja Gilles Brassard vuonna 1984 ja se oli maailman ensimmäinen kvanttisalausavainten vaihdon menetelmä. Menetelmän turvallisuus perustuu Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen ja menetelmässä viestitään yksittäisten kubittien eli kvanttibittien välityksellä.
Menetelmässä kvanttikanavaa (esim. valokaapelia) pitkin lähetetään yksittäisiä fotoneita, joita kutsutaan myös kubiteiksi. Kubitteja vastaavat bittiarvot määräytyvät fotonien polarisaatiokulman mukaan. Esim. kulmiin 0° ja 45° polarisoidut fotonit voivat sovitusti vastata bittiä 0 ja niitä voidaan merkitä vaikkapa symbolein  \rightarrow  (0°) ja  \nearrow  (45°). Bittiä 1 voivat vastata 90° ja 135° kulmaan polarisoidut fotonit, joita voidaan merkitä symbolein  \uparrow  (90°) ja  \nwarrow  (135°). Kullekin polarisaatiokulmalle on vastaavanlainen polarisaatiosuodin. Menetelmässä käytetään myös polarisaatiosuotimia  + ja  \times .  + päästää lävitseen vain  \uparrow  ja  \rightarrow  fotonit.  \times  päästää lävitseen vain  \nwarrow  ja  \nearrow  fotonit.
Menetelmänä BB84 on kaksivaiheinen. Ensimmäisessä vaiheessa "Liisa" ja "Roope" viestivät keskenään kvanttikanavaa pitkin. Liisa valitsee satunnaisen jonon bittejä (esim. 01010111) ja lähettää kvanttikanavaa pitkin bitit yksitellen fotonien polarisaatiokulmiin koodattuina ( \rightarrow ,  \uparrow ,  \nearrow ,  \uparrow ,  \rightarrow ,  \nwarrow ,  \nwarrow  ja  \uparrow ). Liisa merkitsee myös muistiin lähettämiinsä fotoneihin käytetyt neljä erityyppistä suodinta. Roope ei tiedä saapuvien fotonien polarisaatioita etukäteen ja valitsee siksi satunnaisesti polarisaatiosuotimen kullekin fotonille kahdesta suodintyypistä ( +,  \times ,  \times ,  +,  \times ,  +,  \times  ja  \times ). Sopiva suodin päästää lävitse fotonin, joka päätyy fotonin havaitsimeen. Roope päättelee käyttämänsä suotimen perusteella fotonin koodaavan joko bitin 0 tai 1. Jos Roopen käyttämä suodin on kuitenkin väärä, ei fotoni pääse siitä lävitse, eikä Roope havaitse fotonia. Roope havaitsee ja tulkitsee biteiksi noin puolet Liisan lähettämistä fotoneista (0011).
Toisessa vaiheessa ei käytetä kvanttikanavaa vaan salaamatonta klassista kanavaa. Tätä pitkin Roope kertoo järjestyksessä kaikki suotimet, joita hän käytti kunkin havaitsemansa ja havaitsematta jättämänsä fotonin kohdalla. Liisa tarkastaa suotimet vertailemalla niitä omiinsa ja kertoo samaa kanavaa pitkin Roopelle, mitkä Roopen kahdesta suodintyypistä olivat oikein, eli vastasivat jotain Liisan neljästä suodintyypistä, ja mitkä olivat väärin. Oikein olevat suotimet vastaavat Liisan suotimia, jos kvanttikanava on täysin häiriötön ja sitä ei salaa tarkkailla. Päättelemällä omien tietojen ja toisen kertomien tulosten pohjalta molemmat päätyvät esim. salausavaimeen 0011, jos häiriötä ja/tai kvanttikanavan salakuuntelua ei ole.
Klassinen kanava voi olla täysin avoin ja siksi sitä voidaan salaa tarkkailla. Sen kautta ei kuitenkaan välitetä itse salausavaimen bittien arvoja, vain Liisan antamat oikein/väärin vastaukset ja Roopen kertomat  + ja  \times  suotimet, joista kumpikin voi vastata kumpaa bittiä vain, bittejä 0 tai 1. Klassisen kanavan salakuuntelusta ei ole siksi hyötyä eikä sen salakuuntelu välttämättä häiritse salausavainten vaihtoa.
Kvanttikanava on myös salaamaton ja salausavaimen siirron aikana ulkopuolisen halutessa täysin tämän nähtävissä. Jos oletetaan että "Eeva" pääsee käsiksi Liisan lähettämiin fotoneihin, voi hän mitata niiden bittiarvot. Fotonit tuhoutuvat osuessaan väärään suotimeen tai päästessään oikean suotimen lävitse, tuhoutuvat ne mittalaitteella. Jos Eevan valitsema suodin on oikea, havaitsee hän fotonin ja voi lähettää fotonin kopion edelleen Roopelle, toivoen ettei hänen läsnäoloaan huomata. Eevan on kuitenkin valittava mittaussuotimet satunnaisesti. Valinta tulee 50 prosentin todennäköisyydellä olemaan erilainen kuin Liisalla ja Roopella.
Ne fotonit, joiden kohdalla Liisa ja Roope valitsivat saman suotimen, mutta Eeva eri suotimen, paljastavat vakoilun. Näissä tapauksissa fotoni tuhoutuu Eevan väärään suotimeen eikä Eeva voi tietää fotonin polarisaatiota epätarkkuusperiaatteen vuoksi ja sai siksi 50 prosentin todennäköisyydellä bitin 0 ja 50 prosentin todennäköisyydellä bitin 1. Eeva joutuu siksi arvaamaan valon polarisaation, jolloin 50 prosentin oikein arvaamisen todennäköisyys puolittuu edelleen ja Eeva välittää vääränlaisen fotonin Roopelle 25 prosentin todennäköisyydellä per fotoni. Liisa havaitsee eroja tarkastaessaan omiaan ja Roopen toisessa vaiheessa kertomia suotimia: Liisan luoma oikea salausavain on 0011, mutta Roope ilmoittaakin Liisalle avaimeksi 0101 Eevan vakoiluyrityksen vuoksi. Todennäköisyys että Eevan vakoiluyritykset jäävät huomaamatta pienenee salausavaimen pituuden n kasvaessa yhtälön (3/4)n mukaisesti. 4 bitin salausavaimen kohdalla Eeva jää (3/4)4 ≈ 32 prosentin todennäköisyydellä huomaamatta.
Jos vakoiluun viittaavia muutoksia esiintyy, järjestelmä voi päättää salausavainten vaihdon olevan turvatonta ja ilmoittaa tästä käyttäjilleen. Käytännössä siirrossa tapahtuu aina jonkin verran luonnollista fotonien polarisaation muutoksia ja katoamisia. Järjestelmää valvovat algoritmit eivät saa olla siksi liian herkkiä ja niiden pitää sallia tietty määrä Roopen väärin mittaamia polarisaatioita. Liian pitkällä matkalla luonnollinen häiriö on liian suuri ja avainneuvottelu estyy.