量子密码学是一种利用量子力学原理保障通信安全的方法，主要用于保护加密密钥的交换。与依赖数学复杂性的经典密码学不同，量子密码学利用光子等粒子的行为来确保密钥的安全共享。一个关键示例是量子密钥分发 (QKD)，其中两个参与者（例如 Alice 和 Bob）通过传输以特定量子态编码的光子来生成共享密钥。如果窃听者 (Eve) 试图拦截这些光子，测量行为会改变其量子态，从而提醒 Alice 和 Bob 有入侵发生。
安全性的提高源于两个量子特性：海森堡不确定性原理和量子纠缠。不确定性原理确保测量量子系统会对其产生干扰，使得窃听可以被检测到。例如，在 BB84 QKD 协议中，光子以四种方向（水平、垂直或对角）之一偏振。Alice 和 Bob 比较一部分测量结果来检查是否存在差异。如果差异超出阈值，他们就会放弃该密钥。量子纠缠，用于 E91 等协议，允许成对的光子共享关联状态。任何试图观察纠缠光子的行为都会破坏它们的关联，从而提供另一层检测。这使得量子密码学具有固有的抗攻击能力，即使面对拥有量子计算机的对手。
虽然量子密码学前景广阔，但实际应用面临挑战。目前的 QKD 系统通常依赖光纤电缆，限制了传输距离（在没有中继器的情况下通常小于 100 公里）。像中国“墨子号”卫星这样的项目已经展示了使用自由空间通信的长距离 QKD（超过 1200 公里），但基础设施成本仍然很高。现实世界的用例包括保障政府通信和金融交易安全——例如，瑞士选举在 2019 年使用 QKD 来保护投票数据。然而，量子密码学只保障密钥交换；实际数据加密仍然使用 AES 等经典算法。开发者还应注意，后量子密码学（抗量子攻击的经典算法）是一个独立但相关的领域。量子密码学的价值在于它能够在计算能力不断增强的情况下，为关键系统提供面向未来的安全性。