量子图像处理作为量子信息科学领域的分支之一,引起了研究者的广泛关注。越来越多的量子图像存储表示通过各种方法被提出,并且各种经典图像处理技术与量子力学进行融合用于量子图像加密被研究。基于量子信息理论的图像加密方法具有独特的优势,然而国内外对其的研究还处于初步阶段,且这些方法从信息论的角度看尚不完善。针对经典图像加密算法处理速度慢和现有量子图像加密算法安全性分析的不足,本文拟结合量子图像的表示方法,研究经典加密算法、量子加密算法以及经典与量子融合加密算法在量子图像加密技术中的应用。从密码学和信息论的角度,将量子变换理论作为新工具应用到量子图像加密技术中,基于量子图像关联分解、量子广义Arnold变换、量子旋转变换、Hadamard变换以及量子异或等变换理论设计了三个安全高效的量子图像加密新算法,并通过理论分析和实验仿真等手段确保算法具有经典和量子信息论安全性以及超越经典图像加密算法的良好性能。取得的主要研究成果如下:提出了基于图像关联分解的量子图像加密算法。利用量子态叠加和测量原理,建立图像像素之间的关联,把图像分解成一系列特征子图分别存储在完全二叉树集合中,利用随机相位操作、量子旋转操作和Hadamard变换对不同的子图像进行操作实现加密,然后对所有的子图像进行叠加得到密文图像。该算法有较大的密钥空间从而能抵抗强力攻击,且比经典加密算法具有更低的计算复杂度。此外,密文图像以量子态的形式在通信信道传送,使得量子图像加密超越经典图像加密的性能,增强了算法的安全性。构造了量子广义Arnold变换,并设计了量子线路实现,提出了基于广义Arnold变换和双随机相位编码的量子图像加密算法。利用广义Arnold变换对量子图像的位置信息进行置乱,同时在空间域和量子傅里叶变换频域分别对量子图像的灰度信息进行相位编码操作实现对量子图像的混淆和扩散。该加密密钥由广义Arnold变换系数矩阵的独立参数、迭代次数以及两个控制随机相位的二进制序列组成,具有很大的密钥空间。数值仿真和理论分析验证了该加密算法有较强的抗攻击性,对密钥敏感,且具有较低的计算复杂度。在新型增强的量子图像表示基础上,构造了量子图像的异或操作,提出了基于超混沌系统的量子图像加密算法。利用陈氏超混沌系统生成超混沌序列,通过选择合适的超混沌序列来控制非操作和单位操作从而构造量子变换,然后利用量子变换实现对量子图像所有灰度值的异或操作达到完成量子图像加密的目的。陈氏超混沌系统的初始值具有很高的灵敏度,作为加密算法的密钥,增强了算法的安全性。理论分析与经典数值仿真结果验证了该加密算法具有可行性、有效性和安全性。