[发明专利]一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法

权利要求书

1.一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、通过交替量子随机漫步生成概率密度分布矩阵P；

S2、对明文图像进行初次加密；

S3、对初次加密后的密文进行二次加密；

S4、对最终密文进行解密，生成解密图像。

2.根据权利要求1所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S1中，通过交替量子随机漫步生成概率密度分布矩阵的具体方法包括如下步骤：

S1.1、用漫步者的位置空间H_W和硬币状态空间H_C的直积来表示交替量子随机漫步系统的希尔伯特空间；

S1.2、量子随机漫步通过选择初始参数(N,T,α,θ)来控制漫步者的轨迹，量子随机漫步在二维直角坐标系中行走；

S1.3、在N×N个顶点上循环执行交替量子随机漫步AQW，每行走一步前，硬币操作符会作用到硬币态上，根据作用后的硬币态，决定行走的距离；

S1.4、执行T步后，通过测量系统空间内每个位置上量子态出现的概率，获得N×N维度的概率分布矩阵P。

3.根据权利要求2所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S1.1中，位置空间H_W由位置向量|x,y(x,y∈Z)组成，硬币状态空间H_C由硬币状态的两个基本向量|0和|1线性组合组成。

4.根据权利要求3所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S1.2中，量子随机漫步在二维直角坐标系中行走时，根据初始参数(N,T,α,θ)，有：

N²为行走的总格点数，即交替量子随机漫步的行走范围为：D＝{(x,y)|-N≤x≤+N,-N≤y≤+N}(x,y∈Z)，T为行走的步数，α与硬币初始态有关，θ的函数与硬币操作符相关。

5.根据权利要求4所述的基于交替量子随机漫步和改进AES的图像加密算法，其特征在于：所述S1.3中，硬币初始态为：

硬币操作符是关于θ的函数，具体为：

6.根据权利要求2所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S2中，对明文图像进行初次加密的具体方法包括如下步骤：

S2.1、对矩阵P进行预处理，使用双三次插值缩放技术将P转换为与明文I(m×n)大小相同的矩阵之后将矩阵里的元素转换为[0，255]内的整数值；

S2.2、将明文(R，G，B)通道的状态矩阵分别与矩阵进行逐位异或，直至三通道合并。

7.根据权利要求6所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S2.1中，矩阵的变换公式如下：

8.根据权利要求6所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S3中，对初次加密后的密文进行二次加密的具体方法包括如下步骤：

S3.1、将矩阵的奇异值转换为相应的十六进制，提取前16位作为改进AES算法的种子密钥，其中种子密钥分组为W[0]～W[3]，并分别对初次加密后的(R，G,B)通道进行改进的AES算法加密；

S3.2、将明文分组与种子密钥W[0]～W[3]执行AddRoundKey操作，在AES算法的第一轮密钥扩展中，使用改进密钥拓展函数作用于W[0]～W[3]，并将密钥拓展函数的操作步骤改进为：RotByte、SubBytes、Pro-XOR；

S3.3、依次执行循环9次：SubBytes、ShiftRow、MixColumns、AddRoundKey，执行循环完毕后，再依次执行循环1次：SubBytes、ShiftRow、AddRoundKey；

S3.4、明文(R，G，B)通道的状态矩阵加密两次后，合并形成最终密文。

9.根据权利要求8所述的一种融合量子漫步和改进AES的图像加密方法，其特征在于：所述S4中，对最终密文进行解密的具体方法包括如下步骤：

S4.1、分离出密文(R,G,B)通道，执行相应的AddRoundKey操作并依次执行循环9次：InvShiftRow、InvSubBytes、AddRoundKey、InvMixColumns；

S4.2、依次执行循环1次：InvShiftRow、InvSubBytes、AddRoundKey，与概率分布矩阵进行逐位异或运算，(R，G,B)通道合并后，生成最终的解密图像。