与任何其他的密钥分配或密钥扩展协议不同，量子密钥分配技术建立在量子力学的量子不确定性原理和量子不可克隆定律等基本物理学原理之上，在协议层面的无条件安全性已经得到证明。

从本质上来说，量子密钥分发并非真实分配已经存在通信双方中任何一方的已有密钥或信息，而是借助量子态的传送，由收发双方共同按照协议的操作流程，通过量子态编码、传递和接收测量，配合后续的经典处理，形成双方完全一致的随机数码串作为密钥。这种密钥本身不带有任何信息量，即使密钥分配初期中存在部分泄漏，只要比例还在协议控制范围内，也可以采用后续的密钥浓缩方法（又称保密放大），将泄漏出去的信息量从中剔除，从而得到完全保密的密钥（量子密钥分发协议就包含这个过程，其无条件安全性证明也是在这个条件下得到严格证明的）。因此，利用量子态传输密钥，通过经典加密手段实现保密通信的技术已达到实用阶段。

量子密钥分配协议有三类，每类又有多种。第一类最典型的一种称为BB84协议，这是一种基于单个光子量子态作为信息载体实现密钥共享的一种协议。类似的还有几种变形协议，例如差分相位协议、COW协议等；第二类则是利用准强光——多光子脉冲作为量子态的载体实现密钥共享的连续变量协议，这种协议采用多光子脉冲的振幅和相位态编码，以振幅和相位的不确定关系保证信息的不泄漏；第三类则是利用纠缠光子对的纠缠态作为信息载体的协议，简称E91协议，其利用纠缠态的单配性保障信息的不泄漏，实现安全的密钥分配。

从量子力学原理层面看，上述各类量子密钥分发协议安全性的本质是一致的，差别在于所用编码的量子态不同，从而导致实现难度、抗环境干扰的能力等有所不同。