量子隐写及量子水印协议的设计与分析

发布时间：2017-04-15 07:10

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【摘要】：量子计算的快速处理能力对计算安全的经典密码体制造成了威胁,迫使学者们开始投入到基于量子力学特性的量子保密通信的研究中。目前,随着量子保密通信在理论基础和物理实验技术方面的快速发展,学者们对量子保密通信的研究开始关注于不同的研究方向。量子信息隐藏即是其中一个新的研究方向。与经典的信息隐藏相比,量子信息隐藏在安全性上具有天然的保障,是量子保密通信的一个重要分支。同时,量子计算的快速处理能力也可以解决一些经典计算无法解决的图像处理难题。量子计算在图像处理中的应用及量子信息学的不断发展,使得学者们开始关注量子图像的研究。然而,对量子图像的研究仅处于理论探索阶段,因此不管是在当前经典图像处理中还是在未来的量子信息时代,量子图像的研究都将是一个非常有潜力的研究课题。量子隐写和量子水印是量子信息隐藏的两个重要分支。其中,量子水印结合了量子信息隐藏与量子图像理论,是研究量子信息隐藏的一个新思路。本文研究了量子隐写和量子水印两类量子信息隐藏协议,其主要贡献描述如下：1)量子隐写协议隐蔽性评价问题：隐蔽性是衡量量子隐写协议性能的一个重要指标,良好的隐蔽性可以确保窃听者无法察觉秘密消息的存在。隐蔽性评价方法是进行隐蔽性分析的有效手段。本文分类研究了量子隐写协议的隐蔽性评价问题。首先,分析了一个针对以量子噪声信道为载体信道的量子隐写协议的隐蔽性评价方法,并验证了它的有效性。然后,针对以封闭量子信道为载体信道的量子隐写协议,基于迹距离提出了一个新的量子隐写协议隐蔽性评价方法。并用该方法对现有的量子隐写协议的隐蔽性进行了分析,验证了该隐蔽性评价方法的有效性。该方法为后面量子隐写协议的隐蔽性分析提供了一个有效的方法。2)新型量子隐写协议：首先,基于量子态的概率测量,提出了一种新颖的量子隐写协议。该量子隐写协议的实现过程中,通过半正定算子值测量算子将秘密消息嵌入到载体数据中。秘密消息的存在并没影响载体数据的读取,而且合法接收方不需要发送方公布载体数据就可以根据半正定算子值测量结果提取到秘密消息,这使该协议具有良好的安全性。其安全性不依赖于其它量子保密通信协议,可以发生在一般的量子通信过程中。其次,由于量子态在传递过程中很容易受到环境噪声及退相干的影响,而发生衰变,而已有的量子隐写协议中适用于量子噪声信道的协议很少。因此,本文将基于概率测量的量子隐写协议推广到量子噪声信道中,并证明该协议是一个可以应用到量子噪声信道的量子隐写协议。最后,用所提出的量子隐写协议的隐蔽性评价方法对所提出的两个量子隐写协议的隐蔽性进行了定量分析,验证它们具有良好的隐蔽性。此外,协议的实现过程中用到的是非纠缠的单粒子态,且不需要共享大量的密钥,这确保了协议在当前的实验条件下是可行的,同时也减低了通信过程中辅助资源及密钥的消耗。3)量子图像及量子水印：基于对量子图像理论的研究,以一种灵活的量子图像表示方法为图像的存储模型,提出了一个空域量子水印协议。为了给出实现该协议的量子线路,设计了一个多控制旋转量子门,该量子门使所提出的量子水印协议具有能够准确控制水印图像在载体图像上的嵌入位置的性能。在水印协议的实现过程中,为了完成水印图像的预处理,还针对该类量子图像提出一个图像置乱方法,并给出实现该方法的量子线路。可行的量子线路可以确保所提出的协议在实现过程中严格遵循了量子力学原理,且在当前的物理实验条件下是可行的。目前已有的对量子水印的研究都没有完整地给出实现协议的量子线路,针对这样的问题本文给出了实现该协议所有步骤的量子线路。根据给出的量子线路图,在经典计算机中对所提出的量子水印协议和图像置乱方法进行了实验仿真,仿真实验结果验证了所提出的量子水印协议及所设计的量子线路的有效性,且说明所提出的协议在不可见性、安全性及嵌入容量上具有优势。此外,所提出的协议不依赖于量子图像上的任何变换算法,易于分析协议的计算复杂度。根据所设计的量子线路,文中分析了所提出协议的计算复杂度。
【关键词】：量子保密通信 量子信息隐藏 量子隐写 量子图像 量子水印
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP309.7;O413
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 符号说明12-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 研究背景及意义13-19
• 1.2 研究现状19-26
• 1.3 本文的主要工作26-29
• 第二章 量子信息基础及量子图像理论29-47
• 2.1 引言29
• 2.2 量子信息基础29-36
• 2.2.1 量子比特及量子逻辑门29-33
• 2.2.2 量子测量33-34
• 2.2.3 密度算子34-35
• 2.2.4 量子纯化理论35-36
• 2.3 量子图像理论36-46
• 2.3.1 Qubit Lattice量子图像存储模型37-40
• 2.3.2 量子图像的灵活存储模型40-43
• 2.3.3 其它量子图像存储模型43-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 量子隐写协议的隐蔽性评价方法分析47-58
• 3.1 引言47-48
• 3.2 菱形范数评价方法分析48-53
• 3.2.1 量子噪声信道48-50
• 3.2.2 菱形范数评价方法分析50-53
• 3.3 基于迹距离的隐蔽性评价方法53-57
• 3.3.1 迹距离53-54
• 3.3.2 基于迹距离的隐蔽性评价方法54
• 3.3.3 基于迹距离的隐蔽性评价方法分析54-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 基于概率测量的量子隐写协议58-71
• 4.1 引言58-59
• 4.2 基于概率测量的量子隐写协议59-66
• 4.2.1 量子隐写系统59-60
• 4.2.2 协议的基础60-62
• 4.2.3 秘密消息的嵌入过程62-64
• 4.2.4 秘密消息的提取过程64-66
• 4.3 协议的性能分析66-69
• 4.3.1 隐蔽性分析66-67
• 4.3.2 安全性分析67-68
• 4.3.3 嵌入容量分析68-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第五章 适用于量子噪声信道的量子隐写协议71-80
• 5.1 引言71
• 5.2 适用于量子噪声信道的量子隐写协议71-77
• 5.2.1 协议的基础72-74
• 5.2.2 秘密消息的嵌入过程74-75
• 5.2.3 秘密消息的提取过程75-77
• 5.3 性能分析77-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第六章 基于FRQI图像的空域量子水印协议80-103
• 6.1 引言80-81
• 6.2 多控制旋转量子门和一个新的FRQI图像置乱方法81-85
• 6.2.1 多控制旋转量子门81-83
• 6.2.2 一个新的FRQI图像置乱方法83-85
• 6.3 基于FRQI图像的空域量子水印协议85-89
• 6.3.1 水印嵌入过程86-88
• 6.3.2 水印提取过程88-89
• 6.4 仿真实验及性能分析89-102
• 6.4.1 视觉质量90-99
• 6.4.2 嵌入容量99-101
• 6.4.3 计算复杂度101-102
• 6.5 本章小结102-103
• 第七章 总结与展望103-108
• 7.1 本文工作总结103-105
• 7.2 工作展望105-108
• 参考文献108-119
• 致谢119-121
• 攻读学位期间学术成果目录121

【共引文献】

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本文编号：307883