Chaos based quantum key generation for image encryption/decryption in secure communication

doi:10.1016/j.jisa.2026.104565

Chaos based quantum key generation for image encryption/decryption in secure communication

2026-07-01

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DOI：10.1016/j.jisa.2026.104565

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多媒体通信的快速增长和日益严峻的网络安全威胁需要安全且可适应的图像加密方案。本文提出了一种新颖的混沌-量子混合密钥生成框架，并采用了三密钥集切换架构。混沌密钥源自分数阶复数Lorenz系统，而量子密钥则通过量子密钥分发协议（如BB84和E91）获得。这些密钥经过独立处理并通过可配置机制组合，能够根据需求使用混沌密钥、量子密钥或混合密钥。生成的密钥进一步使用SHA 512进行哈希处理以提升Shannon熵，并通过NIST统计测试套件进行验证。此外，所提出的密钥具有最大的密钥空间以抵御量子Grover攻击。通过评估不同信道噪声水平下的量子比特错误率（QBER）并自动拒绝超过阈值的密钥，分析了该框架在实际条件下的鲁棒性。采用基于非线性分数阶观测器的同步机制，确保发送方和接收方之间的密钥对齐。生成的密钥进一步与AES-CBC算法集成用于图像加密，采用混合密钥实现了高信息熵（7.9994）和高MSE（12850.7962）。所提出的方法对选择明文和选择密文等密码分析攻击表现出最强的抵抗能力。对所提方法进行的量子拦截-重发攻击分析表明，QBER增加且CHSH值降低，从而确认了窃听者的存在并丢弃了密钥。运行时分析验证了计算复杂度，基于神经网络的机器学习攻击展示了其抵抗能力，并通过MSE、PSNR和SSIM等评估指标进行衡量。密码分析性能指标表明，所提出的方法具有强混淆和扩散特性，相比现有算法能够确保对统计攻击、差分攻击和量子攻击的高安全性。

Keyword:

Quantum key distribution

Chaotic system

Lorenz

Fractional order

BB84

E91

AES

Encryption

NIST

Chaos based quantum key generation for image encryption/decryption in secure communication

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