Kriptografijos tikslas – informaciją perduoti taip, kad ją galėtų perskaityti tik tas, kuriam ji adresuota. Šiuolaikinė kriptografija remiasi viešai žinomais informacijos šifravimo algoritmais. Informacijos saugumas visiškai priklauso nuo šifravimo rakto, kuris privalo būti sudarytas iš atsitiktinių simbolių ir pakankamai ilgas. 
Kriptografijos tikslas – informaciją perduoti taip, kad ją galėtų perskaityti tik tas, kuriam ji adresuota. Šiuolaikinė kriptografija remiasi viešai žinomais informacijos šifravimo algoritmais. Informacijos saugumas visiškai priklauso nuo šifravimo rakto, kuris privalo būti sudarytas iš atsitiktinių simbolių ir pakankamai ilgas.
Jei siuntėjas ir gavėjas jau yra sutarę dėl šifravimo rakto, informacija gali būti siunčiama viešais kanalais, visiškai neapsaugotais nuo pasiklausymo. Tačiau tariantis dėl rakto būtinas labai patikimas ir saugus ryšio kanalas. Taikant klasikinius kriptografijos metodus, susitarimą dėl rakto visada galima stebėti, besitariančioms pusėms to net neįtariant.
Ši rakto perdavimo problema bandyta spręsti kuriant viešojo rakto sistemas, kurioms nebūtinas išankstinis susitarimas dėl slapto šifravimo rakto.
Kiekvienas gali užšifruoti informaciją viešai skelbiamu raktu, tačiau tik tas, kuriam skirta informacija, ją gali iššifruoti naudodamasis savo raktu.
Metodų patikimumas grindžiamas prielaida, kad raktui atrinkti, atsižvelgiant į šifravimo algoritmą, reikia pernelyg daug sudėtingų skaičiavimų, neįkandamų šiuolaikiniams kompiuteriams. Deja, ši prielaida neįrodyta, tad, sukūrus naują, sumanesnę skaičiavimo procedūrą, raktą būtų galima atrinkti gana greitai, ir dabartiniai šifravimo algoritmai netektų prasmės.
Klasikinė kriptografija remiasi matematikos metodais, o kvantinė kriptografija grindžiama fizikos dėsniais, tarp jų – Heisenbergo neapibrėžtumo principu.
Kvantinio rakto perdavimo (Quantum Key Distribution – QKD) kriptografijoje naudojamas šviesos šaltinis, siunčiantis fotonus, poliarizuotus vienu iš dviejų būdų. Pirmuoju būdu fotonai poliarizuojami vertikaliai arba horizontaliai (tiesinė poliarizacija), antruoju – 45 arba 135 laipsniu kampu (kryžminė poliarizacija). Bet kurio tipo poliarizacijoje priešingų poliarizacijų fotonai (pavyzdžiui, horizontalios ir vertikalios) atitinka 0 arba 1. Siuntėjas siunčia bitų seką, kiekvieną bitą atsitiktine tvarka poliarizuodamas tiesiniu arba kryžminiu būdu. Gavėjas atsitiktiniu būdu nusprendžia, kokio tipo poliarizaciją kiekvienam bitui matuoti.
Kvantinės kriptografijos pavyzdys
Remiantis Heisenbergo neapibrėžtumo principu, fotono poliarizaciją galima matuoti tiesiniu arba kryžminiu būdu. Tik tie bitai, kuriems gavėjas pasirinko tokį pat poliarizacijos matavimą (kokį buvo pasirinkęs siuntėjas), turės teisingas reikšmes. Siuntėjas, baigęs siųsti bitų seką, viešai praneša gavėjui, kokio tipo poliarizaciją naudojo kiekvienam bitui. Gavėjas neatskleidžia, kokias bitų reikšmes (0 ar 1) gavo pamatavęs. Gavėjas praneša siuntėjui, kuriuos bitus pamatavo teisingai. Teisingos reikšmės ir sudaro raktą, toliau naudojamą informacijai užšifruoti ir iššifruoti.
Siuntėjas iš atsitiktinių simbolių sugeneruoja pradinį šifravimo raktą. Kiekvieną sugeneruoto rakto bitą jis užkoduoja pasirinktos poliarizacijos būdu (tiesinės (TP) arba kryžminės (KP)). Gavėjas atsitiktinai kiekvienam gautam bitui pasirenka, kokio tipo poliarizaciją tirti, o paskui matavimo rezultatus ir tirtos poliarizacijos tipą užfiksuoja.
Siuntėjas, baigęs siųsti pradinį šifravimo raktą, praneša gavėjui, kokią poliarizaciją naudojo kiekvienam bitui užkoduoti. Gavėjas išsaugo tuos bitus, kurių reikšmėms nustatyti tyrė tokią pat poliarizaciją, kuria kodavo siuntėjas. Iš šių bitų reikšmių sudaromas galutinis šifravimo raktas. Kadangi raktai turi būti labai ilgi, remiantis tikimybių teorija, gavėjas teisingai pasirenka tiriamą poliarizaciją maždaug 50 proc. bitų. Jei šis dydis gerokai mažesnis, greičiausiai kanalo buvo klausomasi. Tokiu atveju rakto generavimo ir persiuntimo procedūra kartojama.
Pašalinis asmuo, bandydamas „pasiklausyti“ rakto perdavimo, negali matuoti fotonų poliarizacijos abiem metodais, tad, pasirinkęs netinkamą matavimo metodą, neišvengiamai įvels klaidų, net vėliau nusiuntęs gavėjui fotonus savo pasirinkta tvarka. Šias klaidas siuntėjas ir gavėjas gali nesunkiai rasti lygindami atsitiktinių bitų reikšmes.
Nors skamba gana neįtikėtinai, tačiau kvantinis keitimosi šifravimo raktu mechanizmas iš tiesų 100 proc. užtikrina, kad duomenys nebus pakeisti ar perimti juos siunčiant.
Viena didžiausių kliūčių, neleidusių paplisti šiai technologijai, ta, kad nebuvo sukurta pigaus ir patikimo šviesos šaltinio, būtino masinei gamybai. Šiuo metu komercinėse sistemose naudojami šviesos šaltiniai siunčia ne vieną, o apytiksliai vieną fotoną.
Melburno universiteto programai „Quantum Communications Victoria“ (QCV) įmonių konsorciumas šiemet skyrė 21 milijoną litų. Pasak šios programos vadovo, universitetas kuria šviesos šaltinius, skleidžiančius tiksliai po vieną fotoną. Tokiems šaltiniams naudojami QVC laboratorijoje užauginti deimantai, kurie yra švaresni už randamus gamtoje. Sintetiniai deimantai turi defektą, dėl kurio šviesa skleidžiama po vieną fotoną.
Kita kliūtis – nepakankama kvantiniu būdu perduodamos informacijos sparta. Tačiau ši spraga balandžio mėnesį buvo įveikta JAV nacionaliniam standartų ir technologijos institutui paskelbus, kad bandymų metu kvantiniu būdu šifruojama informacija perduodama 4 megabitų per sekundę sparta 1 kilometro ilgio kabeliu. Tokios spartos pakanka net siunčiamam vaizdui šifruoti.
Netrukus kvantinė kriptografija bus taikoma kariniams, finansiniams ar asmens sveikatos duomenims perduoti.
