-
信息隐藏是将秘密信息通过某些巧妙的方式嵌入一个无需公开保密的载体中,并且要保证秘密信息的隐蔽性。目前的信息隐藏技术主要分为信息隐写技术[1-2]和水印技术[3]。隐写技术是指秘密信息嵌入某个无需保密的载体中实现秘密通信。而水印技术一般用作数字版权保护,在数据中嵌入特殊标识保护作者权益。但随着量子并行技术的兴起[4],传统的信息隐藏技术受到冲击。量子力学中的不确定性原理、量子测量坍塌原理和量子态不可克隆原理使得量子信息隐藏技术在安全性和隐蔽性上比经典信息隐藏更具优势。于是,研究者们将目光从经典信息隐藏转向量子信息隐藏[5-7]。
图像是通信过程中最常用的多媒体信息之一,近年来量子图像的研究成果颇丰[8-10]。文献[11]在FRQI(flexible representation of quantum images)的基础上提出了一种新的量子图像模型NEQR(novel enhanced quantum representation)。与FRQI相比,NEQR模型的制备复杂度实现了二次加速,许多复杂的图像处理操作都可以基于NEQR来设计。得益于量子图像的发展,量子信息隐藏技术也发展迅速。相比于水印技术的单一场景,基于图像的信息隐藏技术凭借其嵌入容量大、隐蔽性高的优点在实际生活中获得了更广泛的应用。因此,结合量子信息的优势和图像信息隐藏的特点来研究基于量子图像的信息隐藏技术具有重要意义。与经典图像信息隐藏一样,量子图像信息隐藏主要分为量子图像水印[12-14]和量子图像隐写[15-17]。量子图像水印技术以量子图像为载体,同样具有嵌入容量大、易实现的特点。
目前主流的量子图像隐写方案主要分为两个方向。1) 一种是受经典图像隐写算法启发,将经典最低有效位(least significant bit, LSB)算法拓展到量子图像中并进行创新。如2016年,文献[18]在NEQR的基础上直接将秘密信息的量子位与图像像素的最低有效量子位交换实现了与经典最低有效位算法相对应的量子隐写算法,但该方法安全性较差且易受外界因素影响。因此,作者又提出先将载体图像分块再进行秘密信息嵌入的方案,该方案在一定程度上提升了算法的安全性和隐蔽性。文献[19]同样在量子LSB算法的基础上提出了3种改进算法,并在彩色量子图像上实现了信息隐藏。2019年,文献[20]使用最优最低有效位法研究了用于信息隐藏两级嵌入的量子隐写算法,双重嵌入使嵌入的位置具有一定的随机性,从而增强了算法的安全性。文献[21]提出了一种基于龟壳和LSB算法的量子图像隐写算法,同时在方案中引入了人类视觉系统(human visual system, HVS)模型和校验码,提升了算法的隐蔽性。2) 另一方向则通过编码的方式实现量子信息隐藏。文献[22]实现了基于Gray码的量子图像信息隐藏,该方案与LSB算法相比,有效地增大了秘密信息的嵌入容量。文献[23]提出了基于ASCII码的盲量子隐写协议,该方案相较于其他隐写算法具有更低的复杂度。文献[24]利用矩阵编码良好的不可感知性和高嵌入效率提出了一种新的基于矩阵编码的量子彩色图像隐写术算法。2022年,文献[25]提出了两种基于双层矩阵编码的协议,在IBM的量子平台上成功运行了协议的核心电路并给出了相应结果。
在经典信息隐藏技术和量子信息隐藏技术中,无论是哪一种基于图像的信息隐藏技术通常都需要破坏载体图像的数据。本文提出了一种基于舒尔变换和图像的量子信息隐写方案,在不破坏量子图像质量的前提下,利用量子态的物理特性实现秘密信息的隐藏,通过一定的操作实现秘密消息的恢复。首先,制备了4n+2q量子纠缠态,利用舒尔变换压缩秘密信息以扩大传输秘密数据的容量,再将秘密信息编码到纠缠态中。使用量子图像作为数据载体,在量子图像上应用量子傅里叶逆变换(IQFT),然后将量子图像与秘密信息纠缠在一起,无需破坏量子图像。再将载体信息和秘密信息编码到发送方和接收方共享的纠缠态相位中。在这个纠缠态中,载体信息和秘密信息都不会被泄露。最后,接收方通过应用QFT和手中量子态的测量结果来恢复秘密消息和量子图像。
Information Hiding Based on Quantum Schur Transformation and Images
doi: 10.12178/1001-0548.2022270
- Received Date: 2022-08-14
- Accepted Date: 2023-04-18
- Rev Recd Date: 2022-11-11
- Available Online: 2023-05-26
- Publish Date: 2023-05-28
-
Key words:
- quantum image /
- quantum information hiding /
- quantum schur transform /
- quantum steganography
Abstract: How to subtly embed secret information in carriers (text, image, audio) has been a challenge for researchers. From the perspective of quantum information, a new idea of information hiding is proposed to construct quantum entangled states to realize the hiding and transmission of secret information without destroying the carrier data in this paper. In order to increase the transmission capacity of secret information, the quantum secret information compressed by Schur transform is encoded into the phase of the entangled state for transmission. During the bit transmission, the new protocol can securely and covertly send secret quantum bit information. The receiver can extract the secret information and obtain a lossless quantum image by using the quantum Fourier transform (QFT) and the measurement results of the received quantum state. In addition, a specific method is given to extract the secret quantum state information and then convert the quantum bits to classical bits, which can effectively increase the capacity of secret information transmission. This scheme ensures the security of the secret information transmission without sacrificing the carrier image quality.
Citation: | HU Wanbin, LIAO Wei, LIU Zhixin, DONG Yumin. Information Hiding Based on Quantum Schur Transformation and Images[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2023, 52(3): 341-347. doi: 10.12178/1001-0548.2022270 |