一种基于修改方向的量子彩色图像加密方法技术

本发明专利技术公开一种基于修改方向的量子彩色图像加密方法，基于基本的量子比特门，分别给出并行加法器、并行减法器、比较器、循环移位加1、循环移位减1的量子模块化线路设计，然后基于这些模块化线路设计了量子彩色图像速记式加密的实现线路。从彩色图像速记式加密的实现线路复杂度分析可知，对于一幅2

A quantum color image encryption method based on modified direction

The invention discloses a quantum color image encryption method based on the modified direction. Based on the basic quantum bit gate, the quantum modular circuit designs of parallel adder, parallel subtracter, comparator, cyclic shift plus 1 and cyclic shift minus 1 are given respectively, and then the implementation circuit of quantum color image shorthand encryption is designed based on these modular circuits. From the analysis of the complexity of the implementation of color image shorthand encryption, we can see that for a 2

【技术实现步骤摘要】
一种基于修改方向的量子彩色图像加密方法
本专利技术涉及量子图像处理
，特别涉及一种基于修改方向的量子彩色图像加密方法。
技术介绍
量子计算机有不同的结构模型，例如量子图灵机模型，量子线路模型，细胞自动机模型等。量子线路模型比其它的几种模型更容理解，但功能是等价的，因此采用量子线路模型来定义量子计算机：是由包含连线和基本量子门排列起来、形成的处理量子信息的量子线路建造的。量子计算机中信息存储和处理的基本单元是量子比特(Qubit)。由于量子力学所具有叠加，纠缠以及消相干等独特优势，量子计算机可以实现数据的叠加存储以及并行处理，可解决现有经典计算机当中一些难以解决的数学问题，例如大数的质因子分解和离散对数求解，加速数据库的数据搜索问题。因此，量子计算和量子信息处理成为世界各国战略竞争焦点，比如，2019年2月15日，英国国际战略研究所发布《军事平衡2019》研究报告中“量子计算与防御”相关章节内容指出量子技术在国防领域中的主要应用、世界主要国家的发展情况，以及量子技术在计算机领域尤其是地缘政治方面所具有的作用优势，认为量子技术将对各国的国防建设发展产生深远影响。将量子计算和数字图像处理处理技术相互结合，延伸出来交叉学科定义为量子图像处理。量子图像处理主要分为两个方面：量子图像的表示方法和量子图像处理算法。在经典计算中，信息单元用比特(Bit)表示，它只有两个状态：0态或1态。在量子计算中，信息单元用Qubit表示，它有两个基本量子态|0>和|1>，简称为计算基态(Computationalbasisstate)。不同经典比特只可以处于0态或者1态，一个量子比特可以是两个基态的线性组合，称为叠加态(Superpositionstate)，表示为|ψ>＝a|0>+b|1>。其中a和b是两个复数，表示相应的量子振幅大小，满足|a|2+|b|2＝1，因此也被称为概率幅。在测量量子比特时，量子态|ψ>以|a|2的概率坍缩(Collapsing)成|0>，以|b|2的概率坍缩成|1>。所以一个量子比特可以同时包含|0>和|1>的信息，这与经典计算中的比特截然不同。张量积(TensorProduct)是将小的向量空间合在一起，构成维度更大的向量空间的一种方法，用符号表示，它有如下的含义：假设U和V是两个复矩阵：那么：对于两个量子基态|u>和|v>，张量积常用缩写符号|uv>，|u>|v>或|u，v>表示，例如对于单量子比特的基态|1>和|0>，它们的张量积可表示为：对于量子态|u>的n次张量积可简写成一个双量子比特可由两个单量子比特张量运算合成，它有四个基态|00>、|01>、|10>和|11>。因此，一个双量子比特的状态可描述为：|ψ>＝a00|00>+a01|01>+a10|10>+a11|11>其中，测量结果|00>、|01>、|10>和|11>出现的概率分别是|a00|2、|a01|2、|a10|2和|a11|2，并且满足概率幅的和为1，即|a00|2+|a01|2+|a10|2+|a11|2＝1。若一个量子系统由n量子比特构成，这个量子系统有2n个相互正交的基态|in-1in-2...i0>，i0，i1，...，in-1∈{0，1}，该量子系统的状态可表示为：其中，i＝in-1in-2...i0是整数i的二进制展开，并且满足归一化条件如果用一组量子逻辑门组成的量子线路可以以任意精度逼近任意的酉运算，那么这组量子门就是通用的。重要的一类通用门是单量子比特门和受控非门，即一般的量子逻辑门可以由单量子比特门和受控非门构成。量子比特门可以方便的用酉矩阵的形式表示，单量子比特门可以用一个2×2的酉矩阵U表示，即其中是U的共轭转置矩阵，I是单位阵。单量子比特门表示见图1，其中U是一个2×2的酉矩阵。将一个具体矩阵代替图1中的U矩阵，就可以得到一个具体的单量子比特门的符号表示，图2给出了几个常用的单量子比特门的名称、符号及相应的矩阵。在双量子比特门中，最重要是受控U门，U是一个任意2×2的酉矩阵。双量子比特门有两个量子的比特输入，分别是控制量子比特和目标量子比特。当控制量子比特处于控制量子态时，U运算就会作用于目标量子比特位，否则目标量子比特则不发生改变。控制量子比特可以处于|0>态，也可以处于|1>态，符号以及相应的矩阵表示见图3，其中的白色圆点和黑色圆点表示控制量子比特的状态分别为计算基态|0>和|1>。如果双量子比特的受控U门中的U矩阵是图2中的X门，那么这两个特殊的受控U门则被称为受控非门，符号及相应的矩阵表示见图3。设U是一个任意2×2的酉矩阵，将n(n≥2)量子比特受控门命名为Cn(U)，分别有(n-1)个控制量子比特，1个目标量子比特，并假定二进制数in-1,in-2,…,i1分别是(n-1)个控制位上的数字，则Cn(U)的符号表示如图4所示。将图4中的Cn(U)门作用到n个单量子比特的量子态|xn-1xn-2…x0>上，可得到：其中，如果xn-1xn-2…x1＝in-1in-2…i1，则函数f(xn-1xn-2…x1,in-1in-2…i1)为1，否则f(xn-1xn-2…x1,in-1in-2…i1)为0，并令U0＝I,U1＝U。当U＝X，这是常用的一种受控门，称之为n量子比特受控非门，简记为Cn(X)，如图4所示。将图4中的Cn(X)门作用到n个单量子比特的量子态|jn-1jn-2…j1j0>上，可得到：例如，假设n＝3，i2＝i1＝1，将C3(X)作用到量子态|111>上，得到C3(X)|111>＝|110>。通过一系列的基本量子逻辑门可以构建复杂量子算术运算。图6给出了可逆半加器(RHA)及可逆全加器(RFA)的量子线路设计。如图6a所示，其中表示二进制比特a+b的和，a·b表示a+b的进位。如图6b所示，其中表示二进制比特a+b+c的和，表示a+b+c的进位。基于RHA和RFA的量子线路设计，图7给出了并行加法器的量子线路设计。类似地，图8给出了可逆半减器(RHS)及可逆全减器(RFS)的量子线路设计。如图8a所示，其中表示二进制比特a-b的差，表示a-b的借位。如图8b所示，其中表示二进制比特a-b-c的差，表示a-b-c的借位。基于RHS和RFS的量子线路设计，图9给出了并行减法器的量子线路设计。需要说明的是，在量子线路的表示图中，每条线都表示量子线路的连线，量子线路的执行顺序是从左到右。可以用2q+2n维Hilbert空间的一个任意的量子叠加态表示一幅大小为2n×2n，像素灰度等级在[0,2q-1]之间二维图像：其中，是qqu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于修改方向的量子彩色图像加密方法，其特征在于，包含以下过程：/n依据量子秘钥信息比特的量子态选择相应的像素组嵌入秘密信息；/n计算像素组的第一提取函数；/n确定秘密信息载体图像和秘密信息图像的坐标位置相等；/n比较秘密信息和第一提取函数的大小是否相等：若相等，则载体图像的像素组中的像素不作修改；若不相等，则对载体图像的像素组中的像素进行修改，得到修改后的像素组；/n计算修改后的像素组的第二提取函数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于修改方向的量子彩色图像加密方法，其特征在于，包含以下过程：
依据量子秘钥信息比特的量子态选择相应的像素组嵌入秘密信息；
计算像素组的第一提取函数；
确定秘密信息载体图像和秘密信息图像的坐标位置相等；
比较秘密信息和第一提取函数的大小是否相等：若相等，则载体图像的像素组中的像素不作修改；若不相等，则对载体图像的像素组中的像素进行修改，得到修改后的像素组；
计算修改后的像素组的第二提取函数。


2.如权利要求1所述的基于修改方向的量子彩色图像加密方法，其特征在于，
所述的依据量子秘钥信息比特的量子态选择相应的像素组嵌入秘密信息具体包含以下：
载体图像中R、G、B三个通道中的两个通道像素作为一个像素组为：



其中，|RYX>,|GYX>,|BYX>分别为载体图像在位置(Y，X)处三个通道对应的像素值；是密钥图像在位置(Y，X)处的比特值。


3.如权利要求2所述的基于修改方向的量子彩色图像加密方法，其特征在于，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文文，周日贵，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31