量子鍵配送
更にこの光子は、観測に用いられた基底によって再度偏光され、初期偏光はすべて失われる。
Bobは送られてきた光子がどの基底を用いて偏光されているか分からないので、直線基底か対角基底どちらかを選びながら値を観測するしかない。Bobは光子を受け取った時間、観測に用いた基底とその結果を記録していく。すべての光子の観測を終えたBobは通常のチャンネルでAliceと通信する。Aliceは送った光子をつくるのに用いた基底、Bobは受け取った光子を観測するのに用いた基底をそれぞれ送信する。その後、BobがAliceが用いたのと異なる基底を使用して観測した約半数の値(ビット)を破棄すると、残りのビットが共有鍵となる。
更にAliceとBobは盗聴者の存在を確認するために残ったビット列のうち幾つかのサブセットを比較する。もし第三者(Eve='eavesdropper')が光子の偏光状態に関する情報を得ているとすると、Bobの観測結果に誤差が生じる。仮にp個以上のビットにその誤差が見られた場合、AliceとBobはこの鍵を破棄し、可能なら異なる量子通信チャンネルを使ってより安全な共有鍵の作成を試みる。pの値はEveに知られたビットの数がpよりも少ない場合に漏洩の痕跡のあるビットを適宜捨て、鍵の長さを短くすることによって秘匿性を保てるような値である(秘匿性増幅)。
量子鍵配送(Quantum Key Distribution, QKD)は、量子力学の性質を利用した暗号が実装された安全な通信方式である。 量子鍵配送では、通信を行う二者間のセキュア通信を保証するためにランダムに生成された秘密鍵を共有し、その鍵を使って情報を暗号化・復号する。 量子鍵配送は、しばしば量子暗号と呼称されるが、より正確には量子暗号技術の一手法である。また、「量子鍵配布」とも呼ばれる。
量子鍵配送の重要な特徴として、通信を行う二者が、その通信に用いられる鍵の情報を取得しようとする第三者(盗聴者)の存在を検知できる点がある。 この性質は、一般に量子系は観測によって必ずかく乱されるという量子力学の基本原理にもとづいている。 つまり、第三者は鍵を傍受するために何らかの方法で鍵の情報を観測する必要があるため、その観測行為が検知可能な異常をまねくのである。 より具体的には、量子重ね合わせや量子もつれを利用して情報を量子状態に乗せて伝達することで、盗聴を検知できる通信システムを実現できる。 傍受のレベルが一定のしきい値を下回った場合には、秘匿性が保証された(つまり盗聴者に知られていない)鍵を生成できるが、そうでない場合には傍受が行われたものとして鍵生成を行わずに通信を終了する。
量子鍵配送では、上述のとおり量子力学の原理によって暗号の安全性が保証されている。 それに対して、従来の公開鍵暗号方式ではある種の数学関数の逆関数の計算の困難さが安全性の根拠になっているが、使用する一方向性関数の逆関数の計算の複雑性が数学的に証明されていない。
量子通信には量子状態にある情報や従来のビットに替わる量子ビットの符号化が含まれる。通常は光子が量子状態をあらわすのに用いられ、量子鍵配送はこの量子状態のもつ性質を活用することによって安全性を保証する試みである。量子鍵配送にはいくつか手法があり、量子状態のどの性質を利用するかによって二つのカテゴリーに分けられる。