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基于玻色采样的量子随机数生成方法及其图像加密应用

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2024-10-15 13:27

量子计算是一种打破传统计算规律的全新计算模式,可以在许多问题上带来指数级的加速效果,如密码、搜索、模拟、遗传等领域。现阶段大规模通用量子计算的实现困难重重,在量子比特、量子门、容错技术等有限的今天,量子优势被提出并证明。玻色采样量子计算模型作为证明量子优势的强有力候选,受到越来越多学者的关注和研究。本文的研究对象是基于玻色采样量子计算模型的随机数生成方法及其图像加密应用,是量子优势证明者玻色采样模型在量子密码领域的应用及扩展。玻色采样在实验方面的研究发展迅速,引人注目,但是利用该模型解决实际应用问题的研究却鲜少被挖掘,而且玻色采样的采样结果的随机性也值得关注,有很大的研究空间。因此,本文基于玻色采样量子计算模型开展随机性以及其在密码学方面的应用研究,对玻色采样的输入、线路构建、探测测量及结果后处理进行一系列的详细设计,提出基于玻色采样的量子无偏随机数生成器方案,并对采样输出概率分布进行详细规划,设计出基于玻色采样的混沌图像加密方法。此外,在完全可编程硅光处理器芯片上搭建了基于玻色采样的随机数发生器原型系统以及数字图像加密原型系统,加快了玻色采样在密码研究方面的实用化进程。主要工作包括如下:(1)基于玻色采样量子计算输出结果的随机性,利用冯诺依曼后处理方法,对直接采样的结果进行后处理,生成均匀无偏的量子随机数,以此设计出基于玻色采样的量子随机数生成方法,为玻色采样的实际应用奠定基础。(2)充分探索玻色采样量子计算模型输出概率的混沌随机行为,直接使用概率分布生成混沌随机序列,将其作为密钥对数字图像进行加密,加密过程包含位置置乱以及像素值加密两个过程,基于玻色采样随机数的混沌图像加密方案扩大了玻色采样除了证明量子优势之外的解决实际应用问题的能力。(3)在可编程硅光处理器芯片上搭建了基于玻色采样的随机数发生器原型系统以及基于玻色采样随机数的混沌图像加密原型系统,实现了5模式2光子的玻色采样实验,以此为基础生成的随机数通过了随机性测试组件的测试,安全性分析表明该方案以及系统可以产生完美无偏的随机数;并且图像加密原型系统也对4×4的灰度图像进行的扰乱加密,实验结果表明该系统所加密的图像可以抵抗各种统计攻击。本文包含图32幅,表9个,参考文献129篇

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