Nghiên cứu về các giao thức được sử dụng để phân phối khóa mật mã dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử đã có một sự bùng nổ lớn trong 10 năm qua. Nói chung, các giao thức QKD mô tả các nhiệm vụ hoặc bước cụ thể (tức là thuật toán) cần thiết để tạo ra tốc độ khóa bí mật lượng tử cuối cùng. Mặc dù các giao thức QKD được lập trình trong hệ thống hệ thống vi xử lý. Đặc biệt, các giao thức và hiệu suất của chúng phụ thuộc vào thông tin thống kê (các biến rời rạc và liên tục, DV và CV, tương ứng) liên quan đến trạng thái lượng tử được sử dụng.
Những thách thức hiện tại trong các giao thức QKD có liên quan đến các thông số hiệu suất của hệ thống QKD. Mặc dù mỗi giao thức sử dụng nguyên tắc bảo mật và trạng thái lượng tử khác nhau, nhưng vấn đề quan trọng nhất là tăng mức độ bảo
mật, tốc độ khóa bí mật và khoảng cách truyền khóa giữa Alice và Bob trong môi trường có bên thứ ba Eve. Thực tế khi một giao thức cụ thể có mức bảo mật cao và tốc độ khóa bí mật cụ thể cho các liên kết khoảng cách ngắn, thì giao thức khác có cùng mức bảo mật và tốc độ khóa bí mật cho các liên kết khoảng cách dài. Tuy nhiên một giao thức QKD yêu cầu các hệ thống vi xử lý khác, do đó, một giao thức giả định phức tạp đòi hỏi một thiết kế chi tiết và chặt chẽ, nghĩa là việc thiết lập thử nghiệm rất phức tạp. Vì vậy xu hướng của các giao thức đề cập đến việc đề xuất các giao thức QKD mới cho phép dễ dàng triển khai chúng trong các mạng thương mại quang, trong khi các thông số hiệu suất không đổi hoặc được cải thiện. Ngoài ra, một giao thức thứ nguyên cao được đề xuất để tăng dung lượng thông tin photon khi tốc độ photon bị hạn chế. Giao thức này dựa trên các cặp photon tương quan cho phép truyền thông tin bằng một chuỗi ký tự lớn.
Mỗi giao thức QKD được mô tả về mặt lý thuyết, tuy nhiên, không gian tự do và các kênh khí quyển đòi hỏi sự cân bằng quan trọng quyết định giao thức phù hợp. Đặc biệt, giao thức BB84 đã được tối ưu hóa cho các liên kết FSO bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn khí quyển, cải thiện tốc độ khóa bí mật lên đến hơn 20%. Tuy nhiên, giao thức BB84 vẫn không thay đổi trong khi các hệ thống vi xử lý khác được sửa đổi. Trên thực tế, nhiều giao thức QKD đã được triển khai trong các liên kết FSO để chứng minh hiệu suất của chúng trong các điều kiện cụ thể.