Karma QTRNG ve QPRNG kullanan hibrit kuantum güvenli görüntü şifreleme

Resimleri gizlemek neden zorlaşıyor

Fotoğraflar ve videolar artık telefonlar, hastaneler, uydular ve bulut sunucuları arasında sürekli dolaşıyor. Bugünün şifreleme yöntemleri bu görüntüleri saldırganlar sıradan bilgisayarlarla sınırlı kaldığı sürece koruyor. Güçlü kuantum bilgisayarları ortaya çıktıkça, mevcut birçok kilit kırılabilir hale gelebilir. Bu araştırma, kuantum fiziğini kullanarak gelecekteki kuantum saldırılarına karşı bile görüntüleri koruyabilecek yeni tür “anahtarlar” nasıl oluşturulabileceğini inceliyor.

Görüntüleri kuantum forma dönüştürmek

Kuantum yöntemleri görüntülere uygulamak için yazarlar önce sıradan bir gri tonlama resmi kuantum donanımının anlayabileceği bir biçime çeviriyor. Her pikseli dosyada bir sayı olarak depolamak yerine, görüntü yeniden kodlanıyor; böylece her pikselin parlaklığı ve konumu bir dizi kubitte (qubit) tutuluyor. NEQR adı verilen bu şema, bir kuantum devresinin tüm piksel değerlerini aynı anda büyük bir süperpozisyonda tutmasına izin veriyor. Bu, görüntünün tamamını paralel olarak, göreceli olarak az sayıda qubit kullanarak işlemenin ve daha sonra onları ölçerek normal bir görüntüyü geri elde etmenin mümkün kıldığı anlamına geliyor.

İki tür kuantum rastgeleliği

İyi bir şifreleme, iyi rastgeleliğe dayanır. Makale, rasgele bit üretmenin iki kuantum yolunu inceliyor. Birinci yöntem Kuantum Gerçek Rastgele Sayı Üretimi (QTRNG). Burada kubitler mükemmel bir 50–50 süperpozisyona sokulur ve ardından klasik sistemlerin taklit edemeyeceği biçimde sonuçları derinlemesine bağlı olacak şekilde dolanıklaştırılır. Bu qubitler ölçüldüğünde, 0 ve 1 dizisi kuantum mekaniğinin temel belirsizliğine dayalı olarak temelden öngörülemez olur. İkinci yöntem, Kuantum Sahte Rastgele Sayı Üretimi (QPRNG), sabit kuantum kapı dizileri kullanarak karmaşık, görünürde rastgele bit desenleri üretir; aynı devre tekrarlandığında bu desenler tam olarak yeniden üretilebilir.

Öngörülemezlik ve kontrolü harmanlamak

Çalışmanın özü, bu iki yaklaşımı birleştiren hibrit bir üreteç olan QHRNG’dir. İlk olarak, QTRNG devresiyle gerçekten rastgele bir tohum (seed) üretilir. Bu tohum daha sonra bilgiyi birçok qubit boyunca yayıp büken ve dolanıklaştıran Clifford kapılarından oluşan ikinci bir kuantum devresine yüklenir. Sonuç, gerçek kuantum tohumunun derin öngörülemezliğini miras alan, ancak sahte rastgele devrenin verimliliği ve ölçeklenebilirliğini de taşıyan uzun bir bit akışıdır. Standart NIST rastgelelik ve entropi testleri dahil olmak üzere kapsamlı istatistiksel kontroller, bu hibrit kaynağın ne yalnızca gerçek ne de yalnızca sahte kuantum üreteçlerine kıyasla daha fazla testi daha yüksek marjinlerle geçtiğini gösteriyor.

Kuantum anahtarlarla görüntüleri karıştırmak

Hibrit anahtar hazır olduğunda, bu anahtar bir kuantum görüntü şifresini yönlendirir. Orijinal resim küçük bloklara ayrılır, NEQR kuantum formatına dönüştürülür ve ardından anahtar bitleriyle XOR gibi tanıdık işlemlerin kuantum eşdeğerleri kullanılarak karıştırılır. Ek kuantum adımları, her piksel içindeki bitleri karıştırır ve qubit konumlarını değiştirir, böylece küçük değişiklikler tüm görüntüye hızla yayılır. Seçici bir Kuantum Fourier Dönüşümü (QFT) ayrıca piksel bilgilerini, tam kapı dizisini ve anahtarı bilmeden tersine çevrilmesi son derece zor dalga benzeri desenlere daha da yayar. Son olarak, qubitlerin ölçülmesi saf gürültüye benzeyen şifreli bir görüntü verir; şifre çözme aynı hibrit anahtarı kullanarak tüm adımları tersine çalıştırıp orijinal resmi geri elde eder.

Kuantum güvenliğini teste tabi tutmak

Yazarlar yalnızca teorik çalışma yapmıyor: rastgele üreteçlerini ve görüntü şifresini hem ideal simülatörlerde hem de gerçek bir IBM süperiletken kuantum çipinde çalıştırıyorlar. Ardından ortaya çıkan anahtar akışlarını ve şifreli görüntüleri modern kriptografide kullanılan bir dizi testle zorluyorlar. Tek bir giriş pikseli veya anahtar biti değiştiğinde şifreli görüntülerin ne kadar değiştiği, piksel değerlerinin ne kadar düzgün dağıldığı ve rastgeleliğin resmi NIST kontrollerine ne kadar dayanabildiği gibi ölçümler aynı yönde sonuç veriyor. Hibrit QHRNG tabanlı şema, önceki kuantum veya klasik görüntü şifreleme yöntemlerine kıyasla tutarlı şekilde daha yüksek entropi, çeşitli saldırı modellerine karşı daha güçlü direnç ve gürültü altında daha iyi davranış gösteriyor.

Günlük veriler için ne anlama geliyor

Uzman olmayanlar için ana mesaj, bugünün şifrelemelerini tehdit eden aynı kuantum etkilerinin aynı zamanda güçlü savunmalara dönüştürülebileceğidir. Az miktarda ölçülemez kuantum rastgeleliği ile yapılandırılmış bir kuantum devresini birleştirerek, yazarlar tahmin edilmesi son derece zor ancak yakın vadeli donanımda pratik olarak üretilebilen anahtarlar tasarlıyor. Kuantum görüntü şifreleri, eğer dinleyiciler gelecekteki kuantum bilgisayarlara veya gürültülü iletişim kanallarına erişse bile görsel verileri koruyabileceklerini gösteriyor. Hâlâ araştırma aşamasında olmasına rağmen, bu hibrit yaklaşım tıbbi taramalar, uydu görüntüleri ve gelecek on yıllarda gizli kalması gereken diğer hassas resimler için kuantuma hazır kilitlere giden bir yol taslağı sunuyor.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: kuantum görüntü şifreleme, kuantum rastgele sayı üreteci, hibrit QTRNG QPRNG, post-kuantum güvenlik, güvenli görüntü iletimi