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量子圖形加密演演算法的MATLAB程式碼實現

2023-03-11 21:00:59

一、概述

　　目前主流的量子圖形加密演演算法有量子畫素編碼演演算法（Quantum Image Pixel Encoding，QIPE）、量子畫素置亂演演算法（Quantum Image Pixel Scrambling，QIPS）等。

　

　　一個簡單的量子影象加密演演算法可以包含以下步驟：

  1. 將影象轉換為量子態：將影象中的畫素值轉換為量子位元，並將它們組合成一個量子態。
  2. 生成金鑰：生成加密和解密所需的金鑰。
  3. 編碼：使用金鑰對量子態進行編碼。
  4. 量子操作：對編碼後的量子態進行一系列的量子操作，如量子門操作。
  5. 解碼：使用金鑰對編碼後的量子態進行解碼，得到原始影象的量子態。
  6. 量子測量：對解碼後的量子態進行測量，得到原始影象的畫素值。

二、一個簡單的量子影象加密演演算法的MATLAB程式碼範例

% 載入影象
img = imread('lena.png');

% 將影象轉換為量子態
psi_in = convert_to_quantum_state(img);

% 生成金鑰
key = generate_key();

% 編碼
psi_encoded = encode(psi_in, key);

% 量子操作
psi_processed = apply_quantum_operations(psi_encoded);

% 解碼
psi_decoded = decode(psi_processed, key);

% 量子測量
img_out = measure_quantum_state(psi_decoded);

% 顯示加密後的影象
imshow(img_out);

 　　在上面的程式碼中，convert_to_quantum_state函數將影象轉換為量子態，generate_key函數生成金鑰，encode函數對量子態進行編碼，apply_quantum_operations函數對編碼後的量子態進行量子操作，decode函數對量子態進行解碼，measure_quantum_state函數對解碼後的量子態進行測量，最後用imshow函數顯示加密後的影象。

 

三、QIPE演演算法　　

% 讀取輸入的明文影象
plaintext = imread('lena.png');
[row, col] = size(plaintext);

% 將明文影象轉化為量子態
quantum_state = reshape(double(plaintext)/255, [1, row*col]);
quantum_state = transpose(quantum_state);
psi = qubit(quantum_state);

% 構造加密金鑰，使用亂數生成器生成一個32位元的金鑰
key = round(rand(1, 32));

% 對量子畫素進行編碼
psi = QIPE(psi, key);

% 對量子畫素進行解碼
psi = QIPE(psi, key, 'decode');

% 將量子態轉化為明文影象
output = reshape(transpose(psi.Data), [row, col]);
output = uint8(output * 255);
imwrite(output, 'lena_encoded.png');

 

四、QIPS

% 讀取輸入的明文影象
plaintext = imread('lena.png');
[row, col] = size(plaintext);

% 將明文影象轉化為量子態
quantum_state = reshape(double(plaintext)/255, [1, row*col]);
quantum_state = transpose(quantum_state);
psi = qubit(quantum_state);

% 構造加密金鑰，使用亂數生成器生成一個32位元的金鑰
key = round(rand(1, 32));

% 對量子畫素進行置亂
psi = QIPS(psi, key);

% 對量子畫素進行解密
psi = QIPS(psi, key, 'decode');

% 將量子態轉化為明文影象
output = reshape(transpose(psi.Data), [row, col]);
output = uint8(output * 255);
imwrite(output, 'lena_scrambled.png');