Quantum key distribution werkt ongeveer zo:
Men neme een bepaald communicatiemedium waarover men quantumverstrengelde deeltjes (zoals fotonen) uit kan wisselen. Een van de quantumeigenschappen van een foton is polarisatie, en die kan oa horizontaal, verticaal, diagonaal en alles er tussenin zijn. Polarisatie kun je niet direct meten. Wat je wel kunt doen, is een foton door een polarisatiefilter laten gaan en dan kijken of het foton erdoor kwam of niet. Als de polarisatie van het filter exact overeenkomt met de polarisatie van het foton, dan gaat het foton er altijd doorheen. Staat hij er haaks op, dan wordt het foton altijd tegengehouden. Is de "hoek" van polarisatie tussen filter en foton 45 graden, dan heeft het foton 50% kans om er doorheen te komen.
Deze eigenschappen kun je vervolgens gebruiken om bits te definieren. Je kunt bijvoorbeeld afspreken dat een verticaal gepolariseerde foton voor een 0 staat, en een horizontaal gepolariseerde foton voor een 1. Als je alles door een horizontaal gepolariseerd filter laat gaan, dan zullen alleen de 1'en doorkomen en de 0'en worden tegengehouden. Doe je de meting van deze fotonen vervolgens met een diagonaal filter, dan zal de uitkomst van welke input dan ook volledig willekeurig zijn. Andersom is dat ook zo: encodeer je de bits diagonaal, dan zul je juist met een horizontaal of verticaal filter een willekeurig resultaat krijgen. Een andere eigenschap van zo'n filter is ook dat de originele polarisatie verloren gaat. Een foton die door een horizontaal filter is gekomen is daarna ook horizontaal gepolariseerd. Je kunt dus ook maar 1x meten.
Het punt bij QKD is vervolgens juist dat je niet van tevoren definieert hoe je de bits encodeerd. In plaats daarvan gebruik je verstrengeling om twee fotonen met dezelfde, maar onbekende*, polarisatie te maken. Een foton stuur je naar de andere kant (naar Bob), de ander gebruik je (Alice) om zelf een meting te doen. De verstrengeling garandeert dat beide uitkomsten bij gebruik van hetzelfde filter hetzelfde zullen zijn.
Welnu, Alice en Bob willen dus een willekeurige sleutel afspreken om hun data mee te encoderen, maar ze wilen niet dat iemand kan afluisteren. Alice maakt dus steeds verstrengelde fotonen met onbekende polarisatie, en stuurt van elk paar eentje naar Bob en houdt de ander voor zichzelf. Vervolgens kiest ze bij elke foton willekeurig of ze het foton meet met een hirozontaal filter of een diagonaal filter. De resultaten (het gebruikte filter en of het foton er doorheen kwam) schrijft ze op. Bob doet vervolgens hetzelfde met de fotonen die hij ontvangt. Ook hij kiest elke keer willekeurig een horizontaal of een diagonaal gepolariseerd filter voor de meting.
Daarna bellen Alice en Bob met elkaar om de gegevens te overleggen. Daarbij noemen ze niet de uitkomst, maar ze delen welk filter ze hebben gebruikt voor elke meting. Op die manier kunnen ze dus beide bepalen bij welke fotonen ze hetzelfde filter hebben gebruikt, en alleen die resultaten gebruiken ze voor de sleutel. Iemand die dit gesprek afluistert zal alleen maar iets horen over de gebruikte filters, dus die weet dan alsnog niets.
Vervolgens houden Alice en Bob een steekproef. Ze kiezen een aantal resultaten eruit en overleggen die met elkaar. En dit is de crux van QKD. Als iemand afluistert, zullen de uitkomsten van Alice en Bob niet meer overeenkomen. Heeft iemand echter het verstrengelde deeltje dat naar Bob toe moest onderschept, dan heeft die persoon zelf ook op dat moment een horizontaal of diagonaal filter moeten kiezen. Als deze persoon een ander filter dan Bob heeft gekozen voor die foton, dan is de polarisatie van het foton aangepast en zal de uitkomst die Bob heeft gemeten mogelijk niet meer overeenkomen met wat Alice heeft gemeten. Alice en Bob weten dan dat ze zijn afgeluisterd, en dan kan het hele proces weer van voor af aan beginnen.
Dit is de theorie. In de praktijk is het zeer lastig om de deeltjes volledig ongemoeid naar de overkant te brengen. Elke quantumverstoring kan de metingen immers aanpassen. Ze moeten dus rekening houden met een inherente ruis in de data. De vraag is of die ruis dan klein genoeg is om een afluisteraar alsnog te kunnen detecteren.
[small]* kleine kanttekening hier. Het is niet zo dat de polarisatie onbekend is, het is dat de polarisatie zich in superpositie bevindt van meerdere mogelijkheden tegelijk. Uiteindelijk zal het deeltje een polarisatie "kiezen" zodra hij wordt gemeten, en in het geval van verstrengelde deeltjes zullen beide deeltjes dezelfde keuze maken. Of juist precies omgekeerd. Dat hangt een beetje af van de aard van het fotoncreatieproces. In het geval van tegenovergestelde polarisatie hoeft Alice danwel Bob simpelweg alle gemeten bits te flippen, maar dit is een implementatiedetail.
