量子密码学通过利用量子力学的基本原理来保护通信信道，从而提供不可破解的加密。与依赖于数学复杂性的经典加密不同，量子密码学利用光子等粒子的行为来检测窃听。例如，在量子密钥分发（QKD）中，测量量子系统的行为本身就会改变其状态。如果攻击者试图拦截密钥交换，他们的测量会引入可检测的异常，确保合法用户可以丢弃被泄露的密钥。这种基于物理的安全基础使其能够抵抗计算攻击，即使是未来量子计算机的攻击也不例外。
一个具体的例子是 BB84 协议，这是第一个 QKD 方法。在该协议中，发送方（Alice）使用随机偏振角（例如，垂直、水平或对角线）将密钥编码到光子中。接收方（Bob）使用随机选择的偏振滤光片测量这些光子。传输后，Alice 和 Bob 公开比较他们的滤光片选择（而不是光子状态），以确定哪些测量使用了匹配的基。任何超出预期错误率的差异都表明存在窃听。另一个协议 E91 使用纠缠光子对。如果攻击者测量其中一个光子，纠缠就会塌缩，改变光子对的相关状态。这使得 Alice 和 Bob 可以通过测试一部分光子是否违反纠缠来验证共享密钥的完整性。
虽然量子密码学的理论安全性是不可破解的，但实际实现面临工程挑战。例如，光纤 QKD 系统在长距离传输中会发生光子损耗，如果没有可信中继或量子中继器，就会限制传输距离。此外，硬件漏洞（例如不完美的光子探测器）可能会产生侧信道攻击。然而，这些问题与实现中的缺陷有关，而非协议的数学基础。正确工程实现的 QKD 可以确保任何拦截尝试都是可检测的，从而使加密密钥具有可证明的安全性。量子原理和严格错误检查相结合，提供了经典方法无法实现的安全性水平，即使计算能力不断增长也是如此。