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随着计算机网络、多媒体通信的迅猛发展,在网络上进行沟通和信息传输成为现代人交流的重要方式。多媒体数据特别是数字图像信息以其生动、形象直观的特点在多媒体通信中占有重要地位。如何确保数字图像信息在传输过程中的安全性一直是学者的研究热点。基于数学计算复杂性的经典密码算法,并不能实现无条件的安全性。而量子密码以光子等粒子作为信息载体,利用光子的极化态或相位传输信息,其安全性依赖于物理原理,与计算复杂度无关,能够提供无条件的安全性,因此吸引了越来越多的关注。量子计算是一个快速增长的领域,已经取得了重大突破。作为一种通用量子计算模型,量子随机游走(Quantum Random Walks,QRWs)是经典随机游走的量子对应物,并且已经开发作为解决各种问题,如元素区分、三角形查找、图同构、聚类等的有用工具。量子随机游走具有高度非线性和并行计算特性,因此如何利用该量子计算模型生成高效的伪随机序列,并且应用于图像加密,成为本文研究的重点。本文主要包括两大部分,一部分是对所提出的基于QRWs的伪随机序列发生器(Pseudorandom Number Generators,PRNGs)的理论研究与仿真实验,另一部分是研究该PRNG在图像加密中的应用。具体描述如下:1.研究环上一维单粒子离散QRWs模型,基于该模型构造了一个新型的基于环上一维单粒子离散QRWs的PRNG。并且利用信息论和递归图等方法对该PRNG进行了性能分析,如统计复杂度测量、递归性分析、非周期性分析等,并用NIST测试工具验证了其随机性。实验结果表明我们提出的PRNG生成的序列有很好的统计性和随机性。除此之外,与有代表性的基于量子混沌映射(Quantum Chaotic Map,QCM)的PRNG比较,我们的方案在统计复杂度和递归性等方面具有优势。2.利用上述PRNG作为密钥发生器,针对灰度图像,提出了一种基于环上一维单粒子离散QRWs的灰度图像加密方案,并进行了仿真模拟实验。分别从直方图、相关性、信息熵、密钥空间、随机性测试、差分攻击、密钥敏感性、抗攻击测试等方面对加密结果进行了分析。另外,还和其它具有代表性的图像加密算法进行比较分析,表明我们的图像加密方案具有更好的安全性和鲁棒性,例如能够抗击统计攻击、裁剪攻击、噪声攻击等。3.提出了一种基于环上一维单粒子离散QRWs的彩色图像加密方案。首先对单个分量进行操作,然后对全局进行扩散和置乱,使加密效果更好。本文通过直方图测试、相关性测试、明文和密钥敏感性分析、抗攻击测试等方面对三个分量进行实验仿真验证,实验结果说明该彩色图像加密方案具有足够的安全性。