基于量子多媒体的量子信息隐藏算法设计与研究

发布时间：2020-03-31 01:46

【摘要】：近年来随着量子通信技术的迅猛发展,量子安全保密通信使得量子信息科技正在开启革命性的机遇之门。尤其值得一提的是,量子信息隐藏成为了其中一个比较新颖的研究方向。量子信息隐藏主要可分为两类:第一类是通过单粒子或多粒子量子载体运用量子保密通信特征进行量子信息隐藏。第二类是运用多媒体的量子表示来使量子载体具体化,从而实现量子隐写。相比于经典的信息隐藏,量子信息隐藏的安全性和隐蔽性都受到量子力学基本原理和特性的保护。所以,量子信息隐藏在未来量子网络中具有十分广泛的研究价值和应用场景。回顾现有的研究成果,本文分别提出了基于多媒体量子表示的量子隐写和量子水印算法。主要的研究内容如下:一是基于增强型量子图像表现(NEQR)模型,提出了一种含水印量子图像的自适应量子隐写算法。新算法利用水印通常拥有很好的鲁棒性,提出将水印视为载体进而实现隐蔽通信,从而使嵌入后的秘密信息继承了很好的鲁棒性;其次,它还将秘密信息分成等长的两部分,并根据共享秘钥将两部分秘密信息分别嵌入在量子水印和量子载体图像中进行传递,实现了秘密信息的自恢复,进一步提高了秘密信息的鲁棒性。相比于之前的量子隐写算法,新算法不仅保留了原有的隐蔽性和安全性,而且所嵌入的秘密信息的鲁棒性,使得其很难被信道噪声、压缩编码处理以及非法第三方的攻击所损伤或去除。二是研究了一种改进的最低有效位(LSB)量子音频水印算法。针对目前空间域LSB算法导致的水印鲁棒性低、安全性差的缺点,通过基于多个低有效位的逻辑一致性关系进行修改嵌入,分别对量子音频中幅值的次最低有效位和最低有效位上进行修改并联系来提高水印的鲁棒性和安全性。实验中计算所得出的波形图和峰值信噪比值,分析相关保真度证明新算法具有良好的鲁棒性、透明性和安全性。三是基于数字音频量子表现(QRDA)模型,设计了一种基于一次一密的大容量量子音频隐写算法。新算法借助量子音频独有的冗余时间点特性,通过对量子音频幅值冗余时间点进行操作,实现了增大秘密信息容量,减少辅助信息长度,一次一密信息传输和对秘密信息的恢复与窜改定位。更重要的是,利用量子逻辑门根据所提算法设计了秘密信息嵌入和提取线路。
【图文】：

控制非门,控制位

ＣＡ＾０７，｜ｌ0）邋＝邋｜ｌｌ）邋，邋Ｃ＾0ｒ｜ｌｌ）邋＝邋｜ｌ0）逦（２－１２）逡逑其中，第一个量子比特是控制位；第二个量子比特是目标位。控制非门可以用如图２－２逡逑表示。ｄ和５分别代表控制位和目标位。控制非门矩阵形式是：逡逑＂１邋０邋０邋０＂逡逑０邋１０邋０逡逑ＣＮＯＴ＝逦（２－１３）逡逑０邋０邋０邋１逡逑＾０邋０邋１邋０ｙ逡逑Ｍ）逦１逦Ｍ）逡逑｜５〉逦－４逦｜邋—邋４逡逑图２－２控制非门（ＣＮＯＴ门）逡逑类似于控制非门，可以定义０控制非门（ＯＣＮＯＴ门）。这里，当且仅当控制位处在态逡逑｜0＞时，，将目标位将翻转，即逡逑ｏｃ＾ｖｏｒ｜ｏｏ）邋＝邋｜ｏｉ），邋ｏＣＮ0ｒ｜ｏｉ）＝｜00｝逡逑１０逡逑

控制非门,交换门

ＯＣｉＶ0ｒ｜ｌＯ〉＝邋｜ｌＯ〉，０ＣＭ９７｜ｌｌ〉＝｜ｌｌ〉逦（２－１４）逡逑０控制非门可以用图２－３（ａ）所示。控制位用空心小圆圈表示。ＯＣＮＯＴ门可以由一个ＣＮＯＴ逡逑门和两个ＮＯＴ门进行表示，如图２－３（ｂ）所示。如果转化为矩阵进行表示，则可以通过逡逑非门、控制非门和非门三个非门矩阵进行相乘得到０ＣＮＯＴ门的矩阵形式。值得注意的逡逑是，在这了邋ＮＯＴ操作涉及的是两个量子比特的操作，所以ＮＯＴ操作应该表示成如图逡逑２－３（ｃ）所示。其矩阵形式为逡逑「０邋０邋１邋（Ｔ逡逑（０邋0邋（＼邋０＾邋０邋０邋０邋１逡逑ＮＯＴ邋＝邋ｃｒ邋＜Ｅ＞邋／邋＝逦？逦＝逦（２－１５）逡逑ｘ邋（ｌ邋ｏｊ邋１＾０邋＼）逦１０逦０邋０逡逑ｖ０邋１邋０邋ｏｙ逡逑因此ＯＣＮＯ丁门的矩阵可以表示为逡逑ｒ０邋１邋０邋ｏ＇逡逑１０邋０邋０逡逑ＯＣＮＯＴ＝ＫＯＴ邋ＣＮＯＴ邋ＮＯＴ邋＝逦（２－１６）逡逑０邋０邋１０逡逑ｖ０邋０邋０邋１＾逡逑ＮＯＴ逦ＮＯＴ逡逑＾Ｔ＼逦－邋Ｔｘ．逦；逦ｉ邋；邋．ｔ邋ｊ邋？逡逑Ｗ逦Ｗ邋；逦逡逑Ｉ邋｜邋！逦｜逦ｊ逡逑ｊ逦ｊ逡逑ＣＮＯＴ逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图２－３邋０控制非门（ＯＣＮＯＴ门）逡逑另外一个重要的两量子比特门是交换门（ＳＷＡＰ门），交换门可以将两个输入态进行逡逑相互交换。交换门如图２４（ａ）所示，也可以用３个控制非门实现，如图２－４（ｂ）所示。逡逑０＃－逡逑一逡逑＝逡逑！逦！邋ｉ逡逑－＾逦邋—０￣￣＃￣￣＾逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－４交换门（ＳＷＡＰ门）逡逑因此，交换门的矩阵表
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TN918

【参考文献】