随着计算机应用的不断普及,多媒体信息技术、网络技术和信息存储技术的发展,图像已成为人们获取各种类型的有效信息的主要途径之一,图像中所包含的信息可能涉及各种类型的秘密信息或个人隐私信息,因此,保护图像的安全、有效防止信息泄露,成为人们普遍关注的问题。对经典图像安全的保护方式主要有图像加密技术和图像认证技术,虽然这两种方式能够在一定程度上满足对图像的加密要求,但在现如今这样的大数据时代,如何高速有效地实现图像加密始终是我们要重点考虑的一个问题。量子计算所具有的并行计算特点,使其成为高性能计算的重要研究方向。随着量子计算技术的不断发展,对图像的处理从经典领域延伸到了量子领域之中。量子图像加密技术是在量子计算背景下发展起来的,自2013年开始,量子图像加密的研究正成为当前研究热点之一。不同于量子保密通信,量子图像加密技术是在量子计算模型中,实现对用量子位存储的量子图像中的信息进行保护的技术。本文主要是对基于图像置乱技术提出的量子图像加密算法存在的安全性问题(如图像置乱的周期性)进行改进,同时提出一个比较系统的算法加密效果评价体系,取得的主要研究成果包括以下三个方面:(1)提出了一种基于图像划分的量子图像置乱加密算法。该算法基于图像划分,首先按照位置坐标将原始图像划分成几个大小相同的子图,对每一个子图执行不同的量子图像置乱操作,经过置乱操作就可以得到一个新的量子图像,再利用双随机相位编码技术(Double Random Phase Encoding,简记为DRPE)对该图像进行操作,获得最终的密文图像。这种方法能够在一定程度上打破图像置乱操作的周期性,即当攻击者进行穷举攻击时,即使通过迭代得到了某一部分的原始图像信息,也并不能推出完整的原始图像信息,实现有效加密。(2)提出了一种基于迭代的空频域变换的量子图像加密算法。该算法通过顺序和迭代地对原始量子图像执行空域中的图像像素位置信息变换操作和频域中的图像颜色信息变换操作,以达到打破空域中图像置乱操作的周期性的目的,实现有效加密。该算法的密钥包括了 Fibonacci变换的迭代参数、几何变换的迭代参数、几何变换矩阵和双随机相位变换中的二进制序列,理论上足以抵抗暴力破解攻击。采用这种基于迭代的量子图像加密框架,结合不同的量子变换和迭代参数,可以设计不同的量子图像加密算法。(3)针对量子图像加密算法的评价,通过仿真实验和分析总结,给出了全面的评价指标,包括性能分析和安全性分析两个方面,其中性能分析就是量子线路的网络复杂度分析(在量子计算中通常用量子逻辑门的数量来进行表示),而安全性分析包括密钥分析(包括密钥空间大小、密钥敏感性分析)、统计分析(包括相邻像素相关性、直方图分析、信息熵和散点图分布密度分析)。其中散点图分布密度分析是本文为了更好的进行统计分析提出了一个新的分析指标,它能够反映密文图像的像素分布情况,还可以用于比较不同的加密算法的加密效果。上述研究工作能够提升基于图像置乱技术的量子图像加密算法的安全性,为利用图像变换操作进行加密算法设计提供借鉴之处。另外,本文中总结及提出的量子图像加密算法的评价指标满足了量子图像加密算法评价的要求。