信息安全是国家安全不可或缺的组成部分。量子信息安全,特别是量子图像信息安全是量子信息时代的重要研究问题。量子图像加密是量子图像信息安全保护技术研究中的一个热点,它已经成为量子信息安全的重要组成部分。因此,针对量子图像加密算法的研究具有非常重要的意义。本文研究了近年来量子图像表示及量子图像加密算法的发展现状,首次建立了量子图像密码系统在理论上须同时具备有效性、可靠性和安全性的评价体系,针对量子图像表示及其对加密算法性能的影响进行了分析研究。比如使用量子态的相位编码颜色信息会导致量子图像密码系统在解密过程中需要传输及接收大量的密文量子图像并且不能通过有限次测量操作精确恢复出原始图像,仅能获取到颜色信息的概率值,以致密码系统的可靠性降低,同时无法在量子域里验证密码系统的有效性;现有使用量子态的基态编码颜色信息的表示模型及加密算法可以精确检索出原始图像,但需要较多位数的纠缠量子比特,以致在量子计算机中存储彩色数字图像时需要消耗较多纠缠量子比特资源,且相应的密码系统不能在量子域里得到有效性验证。为解决上述存在的问题,本文对彩色数字图像的量子表示及加密算法进行了研究,建立了高存储效率且可精确检索原始图像的量子彩色图像表示模型,提出了同时具备有效性、可靠性和安全性的量子彩色图像加密算法。本文具体内容如下:研究了现有NCQI(A Novel Quantum Representation for Color Digital Images)量子彩色图像表示模型的右循环移位算符及实现线路,并联合异或算符提出一种经有限次测量操作可以精确检索原始图像的NCQI量子彩色图像加密算法。首次给出在量子域里验证所提出密码系统是否有效的过程及线路。该密码系统在解密时仅需要传输和接收一幅密文量子图像,具有一次传输及接收可靠性,同时解决了目前量子图像加密算法经有限次测量操作不能精确恢复原始图像的问题。针对当前量子表示模型存储彩色数字图像时需要消耗较多纠缠量子比特资源的问题,建立了一种位平面序信息单独编码的量子彩色图像表示模型QRCI(Quantum Representation Model of Color Digital Image)。该模型将一幅彩色数字图像表示为一个由部分计算基态(占全部计算基态的八分之一)叠加生成的纠缠量子态,与现有NCQI表示模型相比,其大幅降低了存储彩色数字图像所需要的纠缠量子比特位数。在目前多量子比特纠缠态的制备面临巨大挑战的前提下,QRCI表示模型具有显著的存储优势。给出了QRCI量子图像的制备和精确检索过程,对比研究了基于QRCI和NCQI两种表示模型的基本图像处理算符用以说明QRCI表示模型图像处理算符的灵活性,除了表明模型自身具有的优越性以外,还为进一步研究基于QRCI表示方法的量子多幅彩色图像的安全保护技术奠定基础。建立了一种双幅彩色图像信息联合存储的量子表示模型DQRCI(Double Quantum Color Images Representation Model),并提出了一种双幅图像颜色信息之间有交互影响的DQRCI量子双幅彩色图像加密算法。DQRCI表示模型将双幅彩色数字图像表示为一个由部分计算基态(占全部计算基态的六十四分之一)叠加生成的纠缠量子态,在编码双幅同尺寸、同色深的彩色数字图像时,该模型省略了其中一幅图像的位平面序和像素位置的表达,进一步提高了存储效率。基于DQRCI的编码特点,构建了可以融合双幅图像颜色信息的运算算符并联合异或算符实现了双幅彩色图像的加密,双幅图像颜色信息之间的交互影响增加了密码系统的安全性。该加密算法在解密时仅需要接收一个完整的密文量子图像即可通过有限次测量操作精确检索出双幅原始图像,同时,还可以在量子域里得到有效性验证。