Квантовое распределение ключей

Протокол использует четыре квантовых состояния фотона, направление вектора поляризации, одно из которых выбирается в зависимости от передаваемого бита: ${\displaystyle 90^{\circ }}$ или ${\displaystyle 135^{\circ }}$ для ${\displaystyle 1}$, ${\displaystyle 45^{\circ }}$ или ${\displaystyle 0^{\circ }}$ для ${\displaystyle 0}$. Одна пара соответствует ${\displaystyle |0(+)\rangle }$ и ${\displaystyle |1(+)\rangle }$ и принадлежит базису +. Другая пара соответственно ${\displaystyle |0(\times )\rangle }$ и ${\displaystyle |1(\times )\rangle }$ и принадлежит базису ${\displaystyle \times }$.

Квантовые состояния системы можно описать следующим образом: ${\displaystyle |0_{\times }\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|0_{+}\rangle +|1_{+}\rangle )}$, ${\displaystyle |1_{+}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|0_{\times }\rangle -|1_{\times }\rangle )}$

Формирование квантового ключа

Двоичный сигнал Алисы	0	1	0	1
Поляризационный код Алисы	${\displaystyle \uparrow }$	${\displaystyle \rightarrow }$	${\displaystyle \nearrow }$	${\displaystyle \searrow }$
Детектирование Бобом	${\displaystyle +}$	${\displaystyle +}$	${\displaystyle +}$	${\displaystyle +}$
Двоичный сигнал Боба	0	1	?	?

Таким образом, в результате передачи ключа Бобом в случае отсутствия помех и искажений будут правильно зарегистрированы в среднем 50 % фотонов.

Преимущества:

• Гарантированная секретность ключа на расстоянии до 50 км

Недостатки:

• Сложная реализация

В протоколе используются фотоны, поляризованные в двух различных направлениях для представления нулей и единиц (${\displaystyle |\phi _{0}\rangle }$ и ${\displaystyle |\phi _{1}\rangle }$, ${\displaystyle \langle \phi _{0}|\phi _{1}\rangle \neq 0}$). Фотоны, поляризованные вдоль направления ${\displaystyle +45^{\circ }}$, несут информацию о единичном бите, фотоны, поляризованные вдоль направления ${\displaystyle 0^{\circ }}$ — о нулевом бите.

Преимущества:

• Использование фотонов с двумя типами поляризации (вместо четырёх)
• Простота схемы реализации

Недостатки::

• Меньшая эффективность
• Гарантированная секретность ключа на расстоянии до 20 км

В 1991 Артур Экерт предположил, что квантовое распределение ключей можно осуществить с помощью квантовой запутанности. Кроме участников Алисы и Боба, есть источник создания запутанных частиц, который присылает частицы Алисе и Бобу. Протокол Экерта точнее определяет реальную ситуацию, так как из-за ограничения передачи на большие расстояния, передача будет включать в себя центральный источник, такой как спутник, который будет пересылать нескольким приемникам. Для объяснения могут использоваться многие физические величины, но Экерт использует синглетные состояния. Вместо того, чтобы доверять источнику, который может быть в руках Евы, Экерт настроил протокол, таким образом, что источник испускает пары частиц со спином ${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$ в синглетых состояниях ${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|\uparrow \downarrow \rangle -|\downarrow \uparrow \rangle )}$ . Алиса и Боб должны выбрать одну из трех осей, в которых будут проводиться измерения входных частиц. [2]

• Кронберг Д. А., Ожигов Ю. И., Чернявский А. Ю. Квантовая криптография. Учебное пособие.. — МГУ имени М. В. Ломоносова. — С. 112. Архивировано 30 ноября 2016 года.
• Голубчиков Д. М., Румянцев К. Е. Квантовая криптография: принципы, протоколы, системы. — С. 37. Архивировано 30 ноября 2016 года.
• Cobourne S. Quantum Key Distribution – Protocols and Applications. — Security at Royal Holloway, University of London. — С. 92.
• Ilic N. The Ekert Protocol. — С. 4.
• Gupta D. L., Singh A. K. Quantum Key Distribution Protocols: A Review. — С. 9.
• Голубчиков Д. М. Методика исследования и оценивания систем квантового распределения ключей // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2009. — С. 154-159. Архивировано 20 декабря 2016 года.