基于量子图像表示的同步信息融合和加密关键技术研究

Quantum computing has great potential in improving the efficiency of image processing algorithms and enhancing the security of information transmission. The existing image fusion algorithms are mainly rely on quantum derived processing technology, and fusion techniques that really suitable for quantum computers are still scarce. At the same time, the quantum image encryption algorithms mainly adopt the symmetric encryption system, which is difficult to distribute keys and vulnerable to various attacks. Considering the broad prospect of simultaneous image fusion and encryption, this project focuses on the secure transmission of quantum fusion information with asymmetric encryption system based on the construction of unified quantum image representation. On the basis of achieved image fusion and encryption results, principal component analysis and feature point extraction technologies are used to design feature extraction scheme of quantum image and appropriate fusion rules, and the fused image with good visual effect is obtained. Then phase truncation and amplitude modulation techniques are used to propose asymmetric quantum image encryption algorithm for obtained fused quantum states and the quantum circuits are given. Thus a unified framework is set up from image representation, quantum states preparation to fusion and security protection. The achievements of this project will provide new ideas for quantum image fusion and encryption, and provide technical support for efficient implementation of quantum image processing algorithms and secure transmission of information.

量子计算在提高图像处理效率以及增强信息传递的安全性方面显示出了巨大的潜力。现有的量子图像融合算法以量子衍生处理为主，尚缺乏真正适用于量子计算机的图像融合技术。同时，量子图像加密主要采用对称加密体制，使得密钥分发困难且易受到攻击。考虑到同步实现图像融合和加密具有广阔的应用价值，本项目在构造统一的量子图像表示下，重点研究以非对称加密方式保证量子融合信息的安全传输。在已取得的图像融合和加密等成果基础上，综合运用主分量分析及特征点提取等研究方法设计量子图像特征提取方案并构造合适的融合规则，得到融合效果良好的量子图像。随后在得到的融合量子态上，采用相位截断和振幅调制等技术提出非对称量子图像加密算法，并给出相应的量子实现线路，从而建立一种从图像表示、量子态制备到融合及安全保护的统一整体框架。本项目的成果将为量子图像融合和加密提供新思路，为量子图像处理算法的高效实现以及信息安全传输提供技术支撑。

本项目借助于量子信息处理在并行处理及安全传递方面的优势，以量子图像加密和量子图像融合为主要研究背景，重点研究并解决了“如何有效提取量子图像特征，制定合适的融合规则”、“如何设计非对称量子图像加密算法”两大关键科学问题。在量子图像融合方面，实现了量子图像特征的提取，并通过实现量子版本的修正拉普拉斯和进行了量子图像的融合。在量子图像加密方面，结合量子比特随机旋转、量子位间-位内置乱、Arnold变换，提出了一系列量子图像加密算法。本项目研究了基于量子小波变换的多模态图像融合算法，实现了量子图像的有效融合；研究了基于Arnold变换和量子比特随机旋转的图像加密算法，实现了双量子图像加密，提高了加密容量；研究了基于位内-位间置乱策略的量子图像加密方案，进一步提高了算法的安全性；研究了基于量子Arnold变换和新提出的正弦混沌模型的量子块图像加密方案，增大了算法的密钥空间；研究了基于位平面置换和正弦logistic映射的量子图像加密算法，将混沌序列引入到量子图像加密中；研究了量子Baker变换，并用量子线路实现了相关变换；提出了一种基于Arnold变换和Logistic映射的三级量子图像加密算法，该算法提升了量子加密系统的安全性。通过以上所提出的图像融合和加密算法，构建起了同步量子图像融合和加密的统一框架，丰富了量子图像处理的应用，有利于推进量子实用化进程。