计算机在现代人类的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。随着计算机及互联网技术的发展,尤其是大存储和大数据问题的日益增加,使得传统的计算机在存储容量和处理速度上越来越无法满足人们的要求。量子计算机以其天然的并行计算能力可以解决这一困难。图像是人类获知、传递和分析信息的一个非常重要的媒体形式。在传统的计算机领域,图像的内容认证和安全保护技术在图像的隐蔽通信、媒体认证等方面得到了广泛的应用。在未来的量子计算机时代,图像作为重要的信息表示形式,其安全保护方法也必然是信息处理的关键问题。然而,正如量子计算机的研究还处于探索阶段一样,量子图像的相关研究也处于刚刚起步的阶段,许多概念、分类、理论和应用模型亟需进一步完善。本文以量子图像为研究对象,探索和发掘量子计算机上图像的安全保护和认证的原理以及实现手段,以期提高和完善量子图像的安全保护技术。本文首先介绍了量子图像表示和安全的相关概念。然后在具体阐明一些概念的同时分析了量子图像安全保护面临的问题。最后分别就量子图像的内容认证和保密通信提出了新方法和新途径,使量子图像的安全性和可用性得到显著提高。本文的主要研究工作和创新性成果概括如下:(1)建立了一个基于量子变换的量子图像水印嵌入和提取的优化数学模型。在模型中,引入一个控制嵌入强度的动态向量代替常参数。优化模型以量子态在量子计算过程中保持归一化为约束条件,以表征载体图像的量子态在水印嵌入前后的变化具有最小幅值为目标。利用该优化模型,分别设计了基于量子小波变换和Hadamard变换的量子图像水印算法。仿真实验表明,算法具有较大的嵌入容量和良好的视觉效果。(2)提出了一个基于量子置换-扩散操作的量子图像加密算法。利用量子受控几何变换实现量子图像的像素位置交换。为使量子图像灰度值扩散,研究了量子图像受控灰度变换的方法和实现的量子线路,然后利用量子受控灰度变换实现了量子图像灰度编码的扩散操作。该算法大大提高了量子密文图像的安全性。(3)探讨了量子图像秘密分享的概念,提出了一种基于测量策略和量子图像带(strip)的量子图像秘密分享策略。该量子图像秘密分享策略具有无需二次编码性、非像素扩张性和影子图像的量子图像态保持性等优点,为量子图像安全开辟了一种新的安全保护手段。(4)研究了量子彩色图像的安全算法。首先,提出了一种基于相位变换的多通道量子图像表示方法,并给出了制备该多通道量子图像表示的方法和效率。然后,设计了量子彩色图像初等变换的量子线路。最后,研究了量子彩色图像的水印、加密和分享策略。