随着互联网的发展与大数据时代的到来,网络成为人们沟通的主要桥梁。图像作为信息的主要载体承载着各种各样的信息。这些信息中,有些是公开透明的,比如表情图片;有些是保密的,比如企业机密、军事机密等。随着数据的增多,经典计算机的加密效率显然无法满足需求,量子图像加密算法显现出优势。这些加密算法大多是基于几何变换或者是固定顺序的量子逻辑门运算,没有充分发挥量子计算的优势。在分析经典图像处理弊端、量子图像处理优势、经典图像加密与量子图像加密算法研究现状的基础上,本文从量子矩阵变换、混沌量子逻辑门置乱与扩散、基于混沌的DNA运算扩散三个方面进行了研究,主要研究内容如下:首先,针对量子几何变换加密具有周期性且量子扩散操作只由单一的CNOT（controlled-NOT）操作支撑的问题,提出了基于超混沌系统的三层量子图像加密算法,该算法采用块置乱-位置乱-位扩散的结构。利用量子Hilbert矩阵变换实现像素位置信息变换,打乱像素点的排列;利用Lorenz超混沌系统产生的随机序列对量子图像中的颜色信息进行量子比特位平面的随机交换,实现位平面置乱;再进行随机CNOT操作实现一次扩散,再利用超混沌系统产生的随机序列作为下标进行量子比特自CNOT操作,之后将序列翻转作为下标再次进行自CNOT操作,实现加密。其次,针对目前基于DNA运算的量子图像加密算法使用的低维混沌系统随机性差和仅仅使用单一的加法或减法运算,没有充分发挥DNA运算的特性等问题提出了基于多混沌系统与DNA运算的彩色量子图像加密算法。该算法采用扩散-置乱-扩散的结构。利用Lorenz超混沌系统产生的随机序列对量子图像进行CNOT操作,实现扩散;再生成不同的随机序列控制彩色图像R、G、B三通道图像进行混合量子比特位置乱操作;最后,利用chen超混沌系统生成自然DNA矩阵,并进行随机DNA编码,利用Logistic混沌系统进行随机DNA运算与随机DNA解码,实现加密。最后,采用Lena、Peppers、Baboon图像对两种算法进行仿真实验并在密钥空间、相邻像素相关性、NPCR、直方图、信息熵等指标上与其它的量子图像加密算法进行对比和分析,验证了两种算法的安全性和可行性。