使用混合 QTRNG 和 QPRNG 的量子安全图像加密

为什么隐藏图片变得更难

照片和视频现在不断在手机、医院、卫星和云服务器之间传输。现有的加密方法可以保护这些图像——只要攻击者只有普通计算机即可。然而，随着强大量子计算机的出现，我们如今许多的锁可能会被破解。这项研究探讨如何利用量子物理本身构建新型“密钥”，以便即便面对未来的量子攻击也能保护图像。

将图像转换为量子形式

为了在图像上使用量子技巧，作者首先将普通的灰度图像转换为量子硬件能够理解的格式。图像不再将每个像素作为文件中的一个数值存储，而是重新编码，使每个像素的亮度和位置都存在于一组量子比特中。这种名为 NEQR 的方案允许量子电路在一个巨大的叠加态中同时保存所有像素值。这样可以用相对较少的量子比特并行处理整个图像，随后通过测量恢复为普通图片。

两种量子随机性

好的加密依赖于良好的随机性。论文研究了两种产生随机比特的量子方法。第一种是量子真随机数发生器（QTRNG）。在这里，量子比特被置于一个完美的 50–50 叠加态并随后纠缠，使得它们的结果以经典系统无法模拟的方式深度关联。当这些量子比特被测量时，所得的 0 和 1 的序列在根本上是不可预测的，源于量子力学的内在不确定性。第二种方法是量子伪随机数发生器（QPRNG），它使用固定序列的量子门来产生复杂且看似随机的比特模式，如果重复相同电路则可以精确重现。

融合不可预测性与可控性

工作的核心是一个混合发生器 QHRNG，它将这两种方法结合起来。首先，用 QTRNG 电路产生一个真正随机的种子。然后将该种子加载到由 Clifford 门构成的第二个量子电路中，这些门将信息在多个量子比特之间扩散、扭曲并纠缠。结果是一条长的比特流，它既继承了真实量子种子的深刻不可预测性，又具备伪随机电路的效率和可扩展性。广泛的统计检验，包括标准的 NIST 随机性和熵测试，表明这种混合源比单纯的真随机或单纯的伪随机量子发生器通过更多测试且余量更高。

用量子密钥扰乱图像

混合密钥准备好后，它会驱动一个量子图像密码。原始图像被划分为小块，转换为 NEQR 量子格式，然后使用类似于经典 XOR 的量子等价操作与密钥比特混合。附加的量子步骤在每个像素内洗牌比特并交换量子比特位置，使微小变化快速扩散到整幅图像。选择性的量子傅里叶变换进一步将像素信息涂抹成波状模式，若没有精确的门序列和密钥几乎无法逆转。最后，通过测量量子比特得到看起来像纯噪声的加密图像；解密则用相同的混合密钥按逆序执行所有步骤以恢复原始图像。

检验量子安全性

作者不仅有理论分析：他们在理想模拟器和真实的 IBM 超导量子芯片上运行了他们的随机发生器和图像密码。随后用现代密码学中使用的一系列测试对生成的密钥流和加密图像进行检验。诸如当单个输入像素或密钥比特翻转时加密图像的变化程度、像素值分布的均匀性以及随机性在正式 NIST 检验下的表现等指标都指向同一结论：基于混合 QHRNG 的方案在熵、更强的抗各种攻击模型能力以及在噪声下的表现方面，持续优于早期的量子或经典图像加密方法。

这对日常数据意味着什么

对非专业读者而言，关键讯息是：那些威胁现有加密的相同量子效应，也可以被用来构建强大的防御。通过将少量不可约的量子随机性与结构化的量子电路相结合，作者设计出既极难被猜测又能在近期硬件上实际生成的密钥。他们的量子图像密码表明，即使窃听者能使用未来的量子计算机或面对嘈杂的通讯信道，这类密钥也能保护视觉数据。尽管还处于研究阶段，这种混合方法勾画出一条面向医学扫描、卫星图像和其他需要在未来数十年保持机密的敏感图像的“量子就绪”锁的可行路径。

引用: 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

关键词: 量子图像加密, 量子随机数发生器, 混合 QTRNG QPRNG, 后量子安全, 安全图像传输