Ứng dụng trực tiếp nhất của mật mã lượng tử là quá trình truyền chìa khóa bí mật. Tại sao không dùng đường truyền lượng tử để truyền trực tiếp thông tin cần truyền đi? Bởi vì lượng thông tin trong một đường truyền lượng tử không nhiều và tốc độ không cao. Nhờ vào quá trình mã hóa mà sự truyền thông tin này có thể đưa đến sự bảo mật cao cho đường truyền khác có tốc độ trao đổi thông tin cao hơn rất nhiều.

Nguyên lý của sự trao đổi thông tin lượng tử này dựa vào sự quan sát các trạng thái lượng tử[3]. Những photon truyền đi được đặt trong một trạng thái riêng biệt bởi người gửi và sau đó được quan sát bởi người nhận. Những trạng thái lượng tử liên hợp không thể được quan sát cùng một lúc. Tùy theo cách quan sát, giá trị của hệ đo được sẽ khác nhau, nhưng trong một hệ các trạng thái liên hợp duy nhất; ví dụ như phân cực của photon được mô tả bởi một trong ba hệ khác nhau: phân cực phẳng, phân cực cầu hay phân cực elip [4]. Như vậy, nếu người gửi và người nhận không thỏa thuận trước về hệ quan sát được sử dụng, người nhận có thể tình cờ hủy thông tin của người nhận mà không nhận được gì có ích.

Như vậy, sự tiếp cận đơn giản nhất về đường truyền lượng tử là: người gửi mã hóa thông tin bởi các trạng thái lượng tử, người nhận quan sát các trạng thái đó, sau đó nhờ vào thỏa thuận từ trước về hệ quan sát, người gửi và người nhận trao đổi thông tin một cách đúng đắn. Sự trao đổi thông tin của họ có thể bị lỗi, do nhiễu hay do người nghe lén thứ ba, nhưng những lỗi này sẽ được nhận biết và giải quyết dễ dàng.