Квантово защищённое шифрование изображений с использованием гибридного QTRNG и QPRNG

Почему скрывать изображения становится труднее

Фотографии и видео постоянно передаются между телефонами, больницами, спутниками и облачными серверами. Современные методы шифрования защищают эти изображения — пока злоумышленники располагают только обычными компьютерами. По мере появления мощных квантовых компьютеров многие из наших нынешних «замков» могут быть вскрыты. В этой работе исследуется, как использовать саму квантовую физику для создания новых типов «ключей», способных защитить изображения даже от будущих квантовых атак.

Преобразование изображений в квантовую форму

Чтобы применить квантовые приёмы к изображениям, авторы сначала преобразуют обычную градационную картинку в формат, понятный квантовому оборудованию. Вместо хранения каждого пикселя как числа в файле изображение перекодируется так, что яркость и положение каждого пикселя хранятся в наборе кубитов. Эта схема, называемая NEQR, позволяет квантовой схеме одновременно удерживать все значения пикселей в большой суперпозиции. Это даёт возможность обрабатывать всё изображение параллельно, используя относительно небольшое число кубитов, и затем восстановить обычную картинку измерением этих кубитов.

Два вида квантовой случайности

Хорошее шифрование живёт или умирает благодаря качеству случайности. В статье изучаются два квантовых способа получения случайных битов. Первый — квантовая генерация истинно случайных чисел (QTRNG). Здесь кубиты приводят в идеальную суперпозицию 50:50 и затем запутывают так, что их результаты глубоко связаны способами, которые не может имитировать классическая система. При измерении этих кубитов строка нулей и единиц оказывается принципиально непредсказуемой, коренящейся в внутренней неопределённости квантовой механики. Второй метод — квантовая псевдослучайная генерация (QPRNG), использующая фиксированные последовательности квантовых вентилей для порождения сложных, кажущихся случайными битовых паттернов, которые можно воспроизвести точно при повторении той же схемы.

Смешение непредсказуемости и управляемости

Сердце работы — гибридный генератор QHRNG, объединяющий эти два подхода. Сначала истинно случайное зерно производится схемой QTRNG. Это зерно затем загружается во вторую квантовую схему, собранную из клиффордовых вентилей, которые распространяют, перемешивают и запутывают информацию по многим кубитам. В результате получается длинная битовая последовательность, унаследовавшая глубокую непредсказуемость истинного квантового зерна, но также обладающая эффективностью и масштабируемостью псевдослучайной схемы. Обширные статистические проверки, включая стандартные тесты NIST и тесты энтропии, показывают, что этот гибридный источник проходит больше тестов и с большими отрывами, чем генераторы, основанные только на истинной или только на псевдо‑случайности.

Перемешивание изображений квантовыми ключами

Когда гибридный ключ готов, он управляет квантовым шифром изображения. Исходное изображение делят на небольшие блоки, переводят в квантовый формат NEQR и затем смешивают с битами ключа, используя квантовые эквиваленты знакомых операций, таких как XOR. Дополнительные квантовые шаги перемешивают биты внутри каждого пикселя и меняют местами позиции кубитов, так что небольшие изменения быстро распространяются по всему изображению. Селективное квантовое преобразование Фурье дополнительно рассеивает информацию пикселей в волнообразные паттерны, которые чрезвычайно трудно обратить без точной последовательности вентилей и ключа. В конце измерение кубитов даёт зашифрованное изображение, похожее на шум; расшифровка выполняет все шаги в обратном порядке с использованием того же гибридного ключа, чтобы восстановить исходную картинку.

Проверка квантовой защиты

Авторы делают не только теорию: они запускают свои генераторы случайных чисел и шифр изображения как на идеальных симуляторах, так и на реальном сверхпроводящем квантовом чипе IBM. Затем они подвергают полученные потоки ключей и зашифрованные изображения серии тестов, используемых в современной криптографии. Показатели, такие как степень изменения зашифрованного изображения при изменении одного входного пикселя или бита ключа, равномерность распределения значений пикселей и устойчивость случайности к формальным проверкам NIST, — все указывают в одном направлении. Схема на основе гибридного QHRNG последовательно демонстрирует более высокую энтропию, большую стойкость к различным моделям атак и лучшее поведение в условиях шума по сравнению с ранними квантовыми или классическими методами шифрования изображений.

Что это значит для повседневных данных

Для неспециалистов главное послание в том, что те же квантовые эффекты, которые угрожают сегодняшнему шифрованию, можно превратить в мощную защиту. Комбинируя небольшую долю непреодолимой квантовой случайности со структурированной квантовой схемой, авторы создают ключи, которые чрезвычайно трудно угадать, но которые практически можно генерировать на доступном в ближайшем будущем оборудовании. Их квантовый шифр изображений показывает, что такие ключи способны защищать визуальные данные даже если перехватчики получат доступ к будущим квантовым компьютерам или будут действовать в условиях шумных каналов связи. Хотя это всё ещё этап исследований, такой гибридный подход показывает путь к квантовой готовности защит для медицинских снимков, спутниковых изображений и других чувствительных картинок, которые должны оставаться конфиденциальными в ближайшие десятилетия.

Цитирование: Gururaja, T.S., Pravinkumar, P. Quantum secure image encryption using hybrid QTRNG and QPRNG. Sci Rep 16, 5151 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35111-6

Ключевые слова: квантовое шифрование изображений, квантовый генератор случайных чисел, гибридный QTRNG QPRNG, постквантовая безопасность, безопасная передача изображений