一种基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法与流程

本发明属于量子计算和可视秘密共享领域，尤其涉及一种基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法。

背景技术：

秘密共享作为经典密码学中的一个重要研究领域，其目的是将秘密以适当的方式分享，分享后的每一个份额由不同的参与者管理，单个参与者无法恢复秘密信息，只有若干个参与者一同协作才能恢复秘密消息。可视秘密共享(vss)源于秘密共享技术，其特点是秘密图像加密时，以像素为单位，一幅二值秘密图像通过将每一个秘密像素点都划分到由m个子像素点组成的像素块中从而被共享生成多幅类噪声的共享份额(shares)。由于每个共享份额都像随机噪声一样杂乱无章，攻击者无法直接由密文解出秘密信息。但是共享份额为原秘密图像的m倍大小，存在这样的像素扩展，恢复图像存在分辨率损失的问题，即恢复图像可视质量不佳。可视秘密共享另一个特点是解密过程非常简单，只需将一定数目的共享份额额打印至透明胶片并进行叠加，人的视觉系统就可以直接辨认出秘密信息。由于可视秘密共享的理论安全性和秘密恢复的简单性，可以广泛应用于群体参与或控制的领域，如口令分存、秘钥管理、数字水印、签名认证等等。

量子秘密共享(qss)是经典秘密共享在量子领域的扩展，依靠量子力学相关特性来实现多用户的秘钥份额分享和恢复，从而实现不同经典方案的潜在无条件安全性。在过去20年中，许多学者提出了各种量子秘密共享方案，在诸如量子密钥分发、非假冒量子现金、安全的量子存储、多方量子通信等实际问题中发挥着重要作用。但是，有关量子可视化加密的研究甚少。

最近，song等人提出一种量子图像秘密共享方法，在分享过程中将整个秘密图像(所有像素)编码成一个量子态，然后通过量子测量等策略将图像分割成2^k个共享份额；在恢复过程中，通过增加灵活的量子线路到影子图像的线路图中来恢复量子图像得到恢复图像。与经典可视秘密共享方法相比，因为量子的机制，在图像存储和传输上提供更强的安全性和更少量子比特消耗。但是，该方案是对整个图像进行处理，不具备vss以像素为单位进行操作的特点和优势。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法，解决了现有的qss方案无法满足经典可视密码方案以像素为单位进行操作的缺陷；和经典可视秘密分享方案中，恢复图像存在分辨率损失的问题。具体由以下技术方案实现：

所述基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法,设定分享者将秘密图像给n位参与者bob1,bob2,…,bobn，且秘密图像包含s个黑白像素；规定|0>代表白色，|1>代表黑色，该方法的主要过程包括秘密图像的分享过程和恢复过程，分享过程包括如下步骤：

步骤1)分享者选择秘密图像中任一个像素l，l对应着第l个像素，根据式(1)将像素l的颜色信息编码为量子叠加态|cb>l；

其中b∈{0,1}，i∈{1,2,…,2^n-1}，j∈{1,2,…,n}，

步骤2)分享者将组成|cb>l的n个比特作为共享份额分发给n位参与者bob1,bob2,…,bobn，完成当前像素的分享操作，上标n表示当前比特被分发给第n位参与者；

步骤3)重复步骤1)至步骤2)，直至整个图像的所有像素均完成分享操作；

所述恢复过程包括如下步骤：

步骤a)参与者bobj对其他n-1位参与者发出请求，获得对应第l个像素的n个共享份额

步骤b)参与者bobj选择{|0>,|1>}测量基，对n个共享份额构成的叠加态|cb>l测量，得到一个确定的量子态

步骤c)参与者bobj将量子态通过量子电路执行异或操作，得到一个结果态

步骤d)参与者bobj对所述结果态进行判断，如果是|0>态，则第l个像素就是白色；如果是|1>态，则第l个像素就是黑色；

步骤e)bobj重复步骤a)到步骤d)，将所有像素的颜色恢复，完成原秘密图像的恢复。

所述基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法的进一步设计在于，所述步骤c)中的量子电路由cnot量子门构成。

本发明的优点如下：

本发明的基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法与song等人提出方法相比，实现对每一个像素的操作，利用量子叠加态的不确定性使每一个共享份额都是杂乱无章的(“共享份额都是杂乱无章的”对应的有益效果是什么请补充)；与经典可视秘密分享相比，能完全恢复出秘密图像，不存在恢复图像分辨率损失的现象。

附图说明

图1为秘密图像中像素的量子编码过程示意图。

图2为秘密图像分享过程示意图。

图3为n量子比特累加异或操作的量子电路图。

图4为秘密图像恢复过程的示意图。

图5为4像素秘密图像的量子可视秘密共享方法实例。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施例的基于量子机制的黑白图像多方秘密共享方法如图5所示，假设分享者alice想要分享一个由4个黑白像素构成的秘密图像给3个参与者bob1，bob2和bob3，即s＝4，n＝3，其过程由以下分享过程(参见图2)和恢复过程(参见图4)组成。

本实施例的分享过程如下：

步骤(1)如图2中step1所示，alice需要对每一个像素进行编码，例如第1个像素，把它的颜色信息分别编码进3量子比特叠加态|c0>1里面，|c0>1具体的编码过程可如图1所示，得到与第1个像素操作一样，第2个像素编码成第3个像素编码成第4个像素编码成

步骤(2)如图2中step2所示，alice将构成叠加态|c0>1的3个量子比特作为3个共享份额和分发给所有参与者bob1，bob2和bob3。

步骤(3)如图2中step3所示，重复step1和step2，直至整个图像的所有像素均完成分享操作。

本实施例的恢复过程如下：

假设bob2想要恢复原秘密图像(如图5实例所示)

步骤(a)bob2先从其他所有参与者那获得对应同一像素的共享份额，可如图4中step1，假设是对应第1个像素，和

步骤(b)如图4中step2，bob2选择{|0>,|1>}测量基对和构成的|c0>1进行测量，|c0>1坍缩成一个确定的量子态

步骤(c)如图4中step3,bob2将通过如图3所示的量子电路里面。图3的量子电路主要由cnot量子门构成，主要功能是对输入量子态进行异或操作，得到结果态

步骤(d)如图4中step4,bob2对结果态进行判断，如果结果态是|0>态，则第1个像素就是白色；如果结果态是|1>态，则第1个像素就是黑色。

步骤(e)如图4中step5,bob2重复step1到step4操作，直至恢复出原秘密图像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。