一种基于量子DNA编解码器的量子图像加密解密方法

本发明涉及图像加密，尤其是一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法。

背景技术：

1、随着互联网和通信技术的发展，图像已经成为应用最广泛的信息传输媒介。与文字信息相比，图像包含了更多的信息。图像加密目的是隐藏图像本身的真实信息，使窃取者在得到密文后无法获得原始图像，而授权的接收方可用预先预定的密钥和解密方法，对密文进行解密。传统的加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器等电子器件来实现，这些方法收到速度和成本的限制。20世纪90年代以后，研究人员开始研究更加安全高效的图像加密技术，把目光投向基于量子力学理论与方法的图像加密方法。与传统加密技术相比，量子图像加密技术具有多维、大容量、高设计自由度、高鲁棒性、天然的并行性、难以破解等诸多优势。

2、量子图像处理(qimp)是量子力学和图像处理的一个新兴交叉学科，致力于利用量子计算技术实现捕获、恢复经典图像的操作。现有技术中的量子图像加密方法，加密效果与解密的复杂程度正相关，加密的安全性越好，密钥及解密过程越复杂，解密所需要的时间长，使用不便。且现有技术中的量子图像加密方法在出现信号干扰、传输丢包等情况时，图像信息难以辨认。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，加密方法包括如下步骤：

3、步骤1，采用量子dna编解码器对量子图像二进制信息编码；

4、步骤2，将步骤1所得量子图像通过量子希尔伯特置乱对位置进行打乱；

5、步骤3，对步骤2所得图像进行量子异或加密处理；

6、解密方法包括如下步骤：

7、s1，对加密后的量子密文图像通过量子dna编解码器采用量子高低位互换规则进行编码；

8、s2，对s1所得图像进行逆量子异或编码；

9、s3，对s2所得量子图像进行迭代希尔伯特逆置乱；

10、s4，将s3所得图像通过量子dna编解码器di,j进行解码得到原始图像，其中dj,i表示量子dna解码器，其中i为编码规则序列号，j为解码规则序列号。

11、上述的一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，所述步骤1具体包括：

12、步骤1.1，将原始图像以ncqi的表示方式载入为量子图像：

13、

14、其中，表示载入的量子图像，n表示参与操作的量子比特数量，|c(y，x)>表示像素值，|yx>表示位置坐标；

15、步骤1.2，将步骤1.1量子图像的每个色彩通道的二进制序列通过量子dna编解码器进行编码；

16、步骤1.3，将步骤1.2所得量子图像通过量子dna编解码器进行编码。

17、上述的一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，所述步骤2中的量子希尔伯特置乱操作包括：量子图像分区、希尔伯特图像置乱的奇数操作、希尔伯特图像置乱的偶数操作，其中奇、偶操作交替进行，具体为：

18、步骤2.1，将量子图像信息输入分区模块partition(k)，即实现把2n×2n大小的输入图像分为2n-k-1×2n-k-1个大小为2k+1×2k+1的块，完成第xk+1条与第xk+2条线路的交换，其中k表示当前参与操作的量子比特数量，n表示参与操作的量子比特数量。

19、步骤2.2，将步骤2.1所得量子图像经过odd(k)模块，对像素位置信息进行加密，增加一个c-not门，设xk为控制量子位，yk为目标量子位；添加控制量子位为yk的cswap门来交换x0和y0,x1和y1，以及xk-1和yk-1；添加0控制量子位为yk，1-控制量子位为xk的01-not门进行反转xk-1、xk-2、…、x0，yk-1、…、y0，其中k是奇数并且1≤k≤n-1，n表示参与操作的量子比特数量；

20、步骤2.3，将步骤2.2所得量子图像经过even(k)模块，增加一个c-not门，设yk为控制量子位，xk为目标量子位，添加控制量子位为xk的cswap门来交换x0和y0,x1和y1，…，xk-1和yk-1；添加0控制量子位为xk，1-控制量子位为yk的01-not门进行反转xk-1、xk-2、…、x0,yk-1、…、y0，其中k是偶数并且2≤k≤n-1；

21、步骤2.4，重复步骤2.2-步骤2.3。

22、上述的一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，所述步骤3具体包括如下步骤：

23、由步骤1所得量子图像的像素颜色值生成矩阵yyx，并将每个元素转换为八位二进制序列，具体公式如下：

24、

25、其中，根据矩阵yyx，得到量子xor操作矩阵f：

26、

27、其中，将f作用于整个量子图像即得到最终加密量子图像，即

28、

29、其中|f(y,x)>表示像素置乱后的新像素值，|yx>表示位置坐标，n表示参与操作的量子比特数量。

30、本发明的有益效果是：本申请针对传统加密方案在图像加密领域的局限性，将量子算法与dna编码技术相结合，提出了结合量子dna编码器和量子希尔伯特图像置乱的量子图像加密方案；通过量子dna编码技术，结合量子希尔伯特图像置乱，产生性能优异的抗噪性用于图像加密；保证了图像在传输过程中的安全性，同时也能保证在出现信号干扰，传输丢包等情况下图像信息依旧可辨认；本发明在保证图像安全性的同时，加密解密过程简单，效率高。

技术特征：

1.一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，其特征在于：加密方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，其特征在于，所述步骤2中的量子希尔伯特置乱操作包括：量子图像分区、希尔伯特图像置乱的奇数操作、希尔伯特图像置乱的偶数操作，其中奇、偶操作交替进行，具体为：步骤2.1，将量子图像信息输入分区模块partition(k)中，即实现把2n×2n大小的输入图像分为2n-k-1×2n-k-1个大小为2k+1×2k+1的块，完成第xk+1条与第xk+2条线路的交换，其中k表示当前参与操作的量子比特数量，n表示参与操作的量子比特数量。

4.根据权利要求1所述的一种基于量子dna编解码器的量子图像加密解密方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于量子DNA编解码器的量子图像加密解密方法，加密方法包括采用量子DNA编解码器对量子图像二进制信息编码；通过量子希尔伯特置乱对位置进行打乱；进行量子异或加密处理；解密方法包括对加密后的量子密文图像通过量子DNA编解码器进行编码；图像进行逆量子异或编码；进行迭代希尔伯特逆置乱；通过量子DNA编解码器D<subgt;i,j</subgt;进行解码得到原始图像。本发明保证了图像在传输过程中的安全性，同时也能保证在出现信号干扰，传输丢包等情况下图像信息依旧可辨认。

技术研发人员：王淑梅,高洁,曲英杰,于翼铭,马鸿洋
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12