---
type: "Akademik Makale Analizi"
title: "Dört Boyutlu Kaos Tabanlı Kuantum Görüntü Şifreleme Algoritması"
description: "Kuantum görüntü işleme, kuantum hesaplama teknolojilerinin gelişmesiyle gürültülü orta ölçekli kuantum (NISQ) cihazlarında uygulanabilirliği artan kritik bir alandır. Kuantum görüntü şifreleme, bu alanda veri güvenliğini sağlamak için hayati öneme sahiptir. Klasik şifreleme algoritmalarının kuantum"
resource: "https://makaleanalizi.com/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/dort-boyutlu-kaos-tabanli-kuantum-goruntu-sifreleme-algoritmasi"
doi: "10.3389/fphy.2024.1230294"
authors: ["Xiao-Dong Liu", "Qian-Hua Chen", "Run-Sheng Zhao", "Guang-Zhe Liu", "Shuai Guan", "Liang-Long Wu", "Xing-Kui Fan"]
citation: "Liu, X., Chen, Q., Zhao, R., Liu, G., Guan, S., Wu, L., Fan, X. (2024). Quantum image encryption algorithm based on four-dimensional chaos. . https://doi.org/10.3389/fphy.2024.1230294"
publicationType: "computational"
discipline: "Mühendislik ve Teknoloji"
subDiscipline: "Bilgisayar ve Elektrik Mühendisliği"
evidenceCount: 11
tags: ["kuantum görüntü şifreleme", "anahtar yönetim sistemi", "dört boyutlu kaotik sistem", "kuantum devreleri", "Arnold dönüşümü"]
timestamp: "2026-08-29T23:46:20.947Z"
---

# Dört Boyutlu Kaos Tabanlı Kuantum Görüntü Şifreleme Algoritması

Özgün başlık: Quantum image encryption algorithm based on four-dimensional chaos
DOI: https://doi.org/10.3389/fphy.2024.1230294
Künye (APA 7): Liu, X., Chen, Q., Zhao, R., Liu, G., Guan, S., Wu, L., Fan, X. (2024). Quantum image encryption algorithm based on four-dimensional chaos. . https://doi.org/10.3389/fphy.2024.1230294

Bilim alanı: [Mühendislik ve Teknoloji](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/index.md) › Bilgisayar ve Elektrik Mühendisliği

# Alan bağlamı

Kuantum görüntü işleme, kuantum hesaplama teknolojilerinin gelişmesiyle gürültülü orta ölçekli kuantum (NISQ) cihazlarında uygulanabilirliği artan kritik bir alandır. Kuantum görüntü şifreleme, bu alanda veri güvenliğini sağlamak için hayati öneme sahiptir. Klasik şifreleme algoritmalarının kuantum sistemlerine taşınmasında ortaya çıkan periyodiklik, küçük anahtar uzayı ve istatistiksel analizlere karşı hassasiyet gibi zafiyetler, düşük karmaşıklıklı ve yüksek güvenlikli şifreleme operatörlerinin geliştirilmesini gerektirmektedir.

# Akademik özet

Kuantum bilgi ve hesaplama teknolojilerinin hızla ilerlemesiyle birlikte kuantum görüntü işleme, kuantum bilişim alanında önemli bir çalışma alanı haline gelmiştir. Görüntü verilerinin güvenli bir şekilde depolanması ve uzak mesafelere iletilmesi için geliştirilen kuantum görüntü şifreleme yöntemleri, modern kriptoloji tartışmalarının merkezinde yer almaktadır. Klasik şifreleme yaklaşımlarının kuantum bilgisayarlar karşısında savunmasız kalması, araştırmacıları teorik olarak koşulsuz güvenli çözümlere yöneltmektedir. Ancak mevcut kuantum görüntü şifreleme algoritmaları genellikle yüksek hesaplama karmaşıklığına, sınırlı anahtar uzaylarına ve istatistiksel analiz saldırılarına karşı hassasiyet gibi güvenlik açıklarına sahiptir. Bu çalışmada, kuantum kaynaklarının verimli kullanılmasını engelleyen bu kısıtlamaları aşmak amacıyla dört boyutlu kaos tabanlı yeni bir şifreleme mimarisi sunulmaktadır.

Çalışmanın temel amacı, hem piksel değerlerini hem de piksel konumlarını kaotik anahtarlarla entegre ederek güvenlik açıklarını kapatan ve yüksek şifreleme kararlılığı sunan bir kuantum algoritması tasarlamaktır. Bu doğrultuda ilk olarak klasik görüntüler, Genelleştirilmiş Kuantum Görüntü Temsili (GQIR) yöntemi kullanılarak kuantum bilgisine kodlanmıştır. Ardından, dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sisteminin yörüngeleri rassallaştırılarak çok boyutlu kaotik anahtarlar üretilmiş ve ilk aşamada piksel gri değerleri şifrelenmiştir. İkinci aşamada ise piksel konumlarının yerini değiştirmek amacıyla kuantum Arnold dönüşümü uygulanmış ve iki aşamalı karmaşık bir şifreleme operatörü elde edilmiştir. Önerilen şifreleme ve şifre çözme adımları, Python ortamında simüle edilerek sistemin pratik uygulanabilirliği ve kuantum devre tasarımları teorik olarak doğrulanmıştır.

Gerçekleştirilen simülasyon ve deneysel analiz sonuçları, önerilen kuantum şifreleme algoritmasının yüksek performansını ve dayanıklılığını kanıtlamıştır. Bilgi entropisi analizinde, şifrelenmiş Lena, Pepper ve Baboon test görüntüleri için elde edilen entropi değerleri 7.999'un üzerine çıkarak ideal sınıra son derece yaklaşmıştır. Piksel korelasyon analizleri, şifreleme öncesinde 1'e yakın olan piksel ilişkilerinin şifreleme sonrasında yatay, dikey ve köşegen yönlerde sıfıra yaklaştığını göstermiştir. Bu durum, kaotik sistemin kontrol parametrelerinin piksel korelasyonunu etkili bir şekilde kırdığını teyit etmektedir. Ayrıca, anahtar uzayı analizi sonuçunda elde edilen 10^140 gibi devasa bir değer, algoritmanın kaba kuvvet ve istatistiksel saldırılara karşı mükemmel bir direnç gösterdiğini ve klasik limit olan 2^128 sınırını fazlasıyla aştığını ortaya koymuştur.

Çalışmanın tartışma ve sonuç bölümünde, geliştirilen algoritmanın literatürdeki geleneksel yöntemlere kıyasla taşıdığı yenilikçi değerler vurgulanmıştır. Önerilen şifreleme yapısının Arnold dönüşümünün periyodiklik zafiyetini ortadan kaldırdığı ve diferansiyel saldırılara karşı hassasiyet testlerinde (NPCR ve UACI ideal sınırlarında) üstünlük sağladığı gösterilmiştir. Algoritmanın tüm adımlarının tersine çevrilebilir kuantum mantık kapılarıyla tasarlanması, gelecekte kuantum donanımları üzerinde doğrudan uygulanabilme potansiyelini artırmaktadır. Bu yayın, kuantum kriptografi literatürüne hiperkaotik dinamik sistemler ile kuantum koordinat dönüşümlerini entegre eden güvenilir bir model kazandırarak, kuantum ağları üzerinden güvenli veri iletimi araştırmalarında referans bir çalışma niteliği taşımaktadır.

# Araştırmanın amacı

Çalışmanın amacı, Genelleştirilmiş Kuantum Görüntü Temsili (GQIR) ile kuantum düzeyine aktarılan görüntülerin piksel değerlerini ve konumlarını dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sistemi ve kuantum Arnold dönüşümü entegrasyonuyla şifreleyen güvenilir ve düşük karmaşıklıklı bir kuantum algoritması tasarlamaktır.

# Yöntem ve tasarım

Çalışmada, klasik görüntülerin GQIR yöntemi kullanılarak kuantum bilgisine kodlanmasının ardından, dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sistemiyle oluşturulan çok boyutlu anahtarlar ve kuantum Arnold dönüşümü entegre edilerek piksel değerlerinin ve konumlarının iki aşamalı olarak şifrelendiği kuantum görüntü şifreleme yaklaşımı önerilmiştir.

# Bulgular ve önermeler

1. Önerilen şifreleme algoritmasıyla işlenen üç farklı test görüntüsünün bilgi entropisi değerleri 7.999 seviyesinin üzerine çıkarak ideal sınıra yaklaşmış ve istatistiksel saldırılara karşı güçlü bir direnç elde edilmiştir.
2. Şifreleme algoritmasının uygulanmasının ardından, şifreli görüntülerin yatay, dikey ve köşegen yönlerdeki piksel dağılımları tekdüze hale gelmiş ve pikseller arasındaki doğrusal korelasyon sıfıra yakın değerlere indirilmiştir.
3. Sistemin efektif hassasiyetine dayalı olarak hesaplanan anahtar uzayının 10 üzeri 140 değerine ulaştığı ve bu büyüklüğün kaba kuvvet saldırılarını tamamen engellemek için fazlasıyla yeterli olduğu gösterilmiştir.
4. Diferansiyel saldırılara karşı duyarlılığı ölçen NPCR ve UACI testlerinde, elde edilen deneysel sonuçların ideal referans değerlerine son derece yakın çıktığı ve tek bir piksel değişiminin bile tamamen farklı bir şifreli görüntü ürettiği saptanmıştır.

# Yazarın tartışması

Geliştirilen dört boyutlu Lorenz hiperkaotik tabanlı kuantum şifreleme algoritmasının deneysel simülasyonları, şifrelenmiş görüntülerin pikselleri arasındaki doğrusal korelasyonun neredeyse sıfıra indiğini ve bilgi entropisinin ideal sınıra ulaştığını ortaya koymaktadır. Bu durum, piksellerin uzaysal dağılımının yüksek derecede rassal hale geldiğini göstermektedir.

Yazarlar, bu yüksek başarıyı dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sisteminin sunduğu geniş parametre uzayına ve kuantum Arnold dönüşümünün pozisyon karıştırma yeteneğine bağlamaktadır. İki şifreleme aşamasının ardışık uygulanması, klasik Arnold dönüşümünün belirli bir iterasyon sonrasında kendini tekrarlama periyodu zafiyetini tamamen ortadan kaldırmaktadır.

Elde edilen sonuçlar literatürde yer alan diğer kuantum şifreleme çalışmalarıyla karşılaştırıldığında, özellikle bilgi entropisi düzeyinde belirgin bir üstünlük sergilemektedir. Zhou tarafından önerilen DNA tabanlı kuantum şifreleme yöntemine kıyasla, bu çalışmanın daha yüksek entropi değerleri üretmesi, algoritmanın istatistiksel analiz yöntemleriyle çözülmesini imkânsız kılmaktadır.

Çalışmanın tüm operasyonlarının tersine çevrilebilir kuantum mantık kapıları kullanılarak kuantum devreleri üzerinde tasarlanmış olması, önerilen şemanın yakın gelecekteki kuantum donanımlarında doğrudan uygulanabilme potansiyelini artırmaktadır. Ancak algoritmanın yüksek hesaplama karmaşıklığı, gerçek zamanlı büyük veri şifreleme uygulamalarında optimizasyon ihtiyacını beraberinde getirmektedir.

# Yazarın sonucu

Dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sistemi ve kuantum Arnold dönüşümünün entegre edilmesiyle geliştirilen bu yenilikçi şifreleme yöntemi, geleneksel şifreleme algoritmalarının periyodiklik, dar anahtar uzayı ve istatistiksel saldırılara karşı hassasiyet gibi kronik zafiyetlerini başarıyla çözerek, hem teorik güvenliği hem de pratik uygulanabilirliği yüksek bir kuantum şifreleme şeması sunmaktadır.

# Literatürdeki işlevi

Bu makale, kuantum bilgi işleme ve veri güvenliği literatüründe, gürültülü orta ölçekli kuantum (NISQ) cihazları için pratik ve güvenli bir şifreleme şeması sunma işlevini yerine getirmektedir. Mevcut kuantum görüntü şifreleme yöntemlerinin karşılaştığı yüksek karmaşıklık ve sınırlı anahtar uzayı gibi zafiyetleri ele almaktadır. Önerilen algoritma, konum karıştırma (Arnold dönüşümü) ile piksel gri ton değerlerinin kaotik şifrelenmesini (dört boyutlu Lorenz sistemi) entegre ederek, literatürdeki tek boyutlu veya düşük boyutlu kaotik şifreleme şemalarının ötesine geçmektedir. Böylece kuantum kriptografi alanında hem yüksek güvenlikli hem de donanımsal olarak uygulanabilir bir referans modeli oluşturmaktadır.

Önceki çalışmalarla ilişkisi: Makale, literatürdeki klasik karıştırma algoritmaları ile kuantum devre uygulamaları arasındaki boşluğu doldurmaktadır. Bennett ve Brassard'ın (1984) kuantum anahtar dağıtımı (QKD) temelleri üzerine inşa edilen çalışma, Jiang'ın (2014) kuantum Arnold dönüşümü üzerindeki çalışmalarını doğrudan devralmakta ve genişletmektedir. Klasik Arnold dönüşümünün en büyük zafiyeti olan periyodiklik problemini, dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sisteminden elde edilen dinamik anahtarlarla birleştirerek çözmektedir. Zhou'nun (2015) çift rastgele faz kodlama tabanlı kuantum şifreleme çalışmalarına kıyasla, daha geniş bir anahtar uzayı ve daha düşük hesaplama karmaşıklığı sunarak literatürde ileri bir adımı temsil etmektedir.

Literatür taramasına katkısı: Görüntü şifreleme literatürü taranırken bu çalışma, kuantum paralel işlem gücü ile çok boyutlu kaotik sistemlerin sentezlenmesine yönelik özgün bir metodolojik katkı sunmaktadır. Klasik görüntü şifreleme tekniklerinin kuantum dünyasına aktarılmasında karşılaşılan teorik ve pratik engelleri aşmak için Genelleştirilmiş Kuantum Görüntü Temsili (GQIR) yöntemini başarılı bir şekilde kullanmıştır. Bu yönüyle kuantum görüntü güvenliği üzerine yazılacak akademik derleme makalelerinde, çok boyutlu hiperkaotik sistemlerin ve konum-piksel karıştırma entegrasyonlarının performans sınırlarını gösteren temel bir referans çalışması olarak konumlanmaktadır.

# Tez ve makale araştırmalarında kullanım

- **Kuantum şifreleme şemalarında çok boyutlu hiperkaotik sistemlerin entegrasyonu, sistemin anahtar uzayını genişleterek kaba kuvvet saldırılarına karşı güvenliği maksimize etmektedir.** — Bu makale, dört boyutlu Lorenz hiperkaotik sistemi kullanılarak elde edilen anahtar uzayının 10 üzeri 140 gibi son derece yüksek bir değere ulaştığını göstererek, literatürde güvenliğin artırılmasına yönelik argümanı desteklemektedir.
- **Geleneksel kuantum görüntü karıştırma algoritmalarının periyodik tekrarlama zafiyetleri, kaotik anahtar yönetim sistemleriyle aşılabilir.** — Makalede, kuantum Arnold dönüşümünün kaotik sistemlerden türetilen anahtarlarla birleştirilerek periyodik yapısının nasıl kırıldığı ve istatistiksel saldırılara karşı direncin nasıl artırıldığı kuramsal olarak açıklanmaktadır.
- **Kuantum düzeyinde şifrelenmiş görüntülerin piksel değerleri arasındaki korelasyonun sıfıra yaklaşması, şifreleme algoritmasının başarısını gösteren temel bir istatistiksel parametredir.** — Yazarların şifreleme sonrası piksel korelasyon katsayılarını yatay, dikey ve diagonal yönlerde sıfıra indirmeyi başarmış olmaları, şifreli verilerin rassallığını tartışırken güçlü ampirik kanıt sunmaktadır.

# Türetilebilir araştırma soruları

- **Farklı çok boyutlu hiperkaotik sistemlerin (Lorenz vs. Rössler) kuantum görüntü şifreleme algoritmalarının anahtar hassasiyeti üzerindeki etkisi nedir?**
  - Desen: Python ortamında Qiskit kütüphanesi kullanılarak her iki hiperkaotik sistem için GQIR tabanlı kuantum devreleri tasarlanacaktır. Performans analizi, pikseller arası korelasyon katsayıları ve diferansiyel saldırı parametreleri üzerinden karşılaştırmalı olarak yürütülecektir. Örneklem büyüklüğü istatistiksel güç analizi ile belirlenecektir.
  - Gerekçe: Yazarların dört boyutlu Lorenz sistemini kullanarak elde ettikleri yüksek performans, farklı çok boyutlu sistemlerin kuantum görüntü şifrelemedeki etkinliğini karşılaştırmalı olarak inceleme ihtiyacını doğurmaktadır.
- **Kuantum Arnold dönüşümündeki kuantum toplayıcı devrelerinin sadeleştirilmesi, toplam kapı derinliği ve kuantum kaynak tüketimini nasıl etkiler?**
  - Desen: Yazarların makalede sunduğu kuantum toplayıcı ağı temel alınarak simetrik olarak optimize edilmiş yeni bir kuantum devre tasarımı önerilecektir. Farklı devre topolojilerinin kapı karmaşıklığı kuantum derleyicileri üzerinde simüle edilecek ve veri doygunluğuna ulaşılana kadar test edilecektir.
  - Gerekçe: Yazarların sonuç kısmında belirttiği üzere, dört boyutlu kaos sistemlerinin getirdiği yüksek hesaplama karmaşıklığı, gerçek zamanlı uygulamalarda devre optimizasyonu çalışmalarını zorunlu kılmaktadır.
- **Dört boyutlu Lorenz kaos tabanlı kuantum şifreleme algoritması, klasik gelişmiş şifreleme standartlarına (AES) göre istatistiksel saldırılara karşı ne ölçüde üstünlük sağlamaktadır?**
  - Desen: Önerilen şema ile klasik AES-256 algoritması aynı test görüntü seti üzerinde çalıştırılacaktır. Bilgi entropisi, histogram analizi ve anahtar uzayı genişliği parametreleri nicel veri analizi yöntemleriyle karşılaştırılacaktır.
  - Gerekçe: Makalenin sonuç bölümünde önerilen kuantum şemasının istatistiksel analizlere karşı üstünlüğü iddia edilmektedir; bu iddianın klasik endüstri standartlarıyla ampirik olarak test edilmesi literatüre katkı sağlayacaktır.

# Kaynak izleri

Her iddia, özgün yayının belirtilen sayfasındaki birebir alıntıya bağlıdır.

| Kanıt | Bölüm | PDF sayfası | Basılı sayfa | Alıntı |
|---|---|---|---|---|
| ev-o-1 | Background | 1 | — | To address this, the present study proposes a quantum image encryption algorithm based on four-dimensional chaos. |
| ev-o-3 | Conclusion | 1 | — | By making full use of the characteristics of Arnold transformation permutation, ergodicity and the randomness of the four- dimensional chaotic system, the encryption algorithm uses |
| ev-s-1 | Background | 1 | — | To address this, the present study proposes a quantum image encryption algorithm based on four-dimensional chaos. |
| ev-s-2 | Results | 1 | — | the information entropy analysis experiment showed that the information entropy of the three encrypted images reached above 7.999 |
| ev-s-3 | Correlation analysis | 8 | — | After the encryption algorithm, the pixel distribution of the ciphertext image is uniform, and the correlation is weak. |
| ev-s-4 | Conclusion | 10 | — | The algorithm addresses the shortcomings of Arnold transformation periodicity, small key space, and the lack of resistance to statistical analysis |
| ev-s-5 | Key space and sensitivity analysis | 10 | — | We can, therefore, conclude that the encryption system ’ s key space is suf fi ciently large to resist destructive attacks. |
| ev-s-6 | Analysis of a differential attack | 10 | — | The experimental data show that the NPCR and UACI values of our scheme are close to the ideal value. |
| ev-l-1 | Background | 1 | — | To address this, the present study proposes a quantum image encryption algorithm based on four-dimensional chaos. |
| ev-l-2 | Results | 1 | — | information entropy analysis experiment showed that the information entropy of the three encrypted images reached above 7.999 |
| ev-l-3 | Results | 1 | — | In the fi nal key space analysis, the key space issued by our encryption can reach $10 140 \gg 2 128 $. |

# İlgili kavramlar

- [Üniversite Öğrencilerinde Akademik Stres Sınıflandırması İçin Açıklanabilir Makine Öğrenmesi Çerçevesi: Çoklu Veri Kümeli Karşılaştırmalı Çalışma](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/universite-ogrencilerinde-akademik-stres-siniflandirmasi-icin-aciklanabilir-makine-ogrenmesi-cercevesi-coklu-veri-kumeli-karsilastirmali-calisma.md)
- [Kentsel Elektrikli Otobüslere Kablosuz Şarj Sistemlerinin Entegrasyonu: Adana Şehri İçin Teknik ve Ekonomik Fizibilite Analizi](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/kentsel-elektrikli-otobuslere-kablosuz-sarj-sistemlerinin-entegrasyonu-adana-sehri-icin-teknik-ve-ekonomik-fizibilite-analizi.md)
- [Kentsel toplu taşımada sera gazı emisyonlarının azaltılması için alternatif araç uygulamalarının incelenmesi: Adana ili örneği](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/kentsel-toplu-tasimada-sera-gazi-emisyonlarinin-azaltilmasi-icin-alternatif-arac-uygulamalarinin-incelenmesi-adana-ili-ornegi.md)
- [Diyabetin Tahmini, Teşhisi ve Yönetiminde Makine Öğrenmesi ve Derin Öğrenme Modellerinin Güncel Uygulamaları: Kapsamlı Bir Derleme](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/diyabetin-tahmini-teshisi-ve-yonetiminde-makine-ogrenmesi-ve-derin-ogrenme-modellerinin-guncel-uygulamalari-kapsamli-bir-derleme.md)
- [Dünyadaki ve Türkiye'deki E-Dilekçe Portalları ile CİMER'in Yönetişim İlkeleri ve Yapay Zeka/Büyük Veri Perspektifi Bağlamında Değerlendirilmesi](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/dunyadaki-ve-turkiyedeki-e-dilekce-portallari-ile-cimerin-yonetisim-ilkeleri-ve-yapay-zekabuyuk-veri-perspektifi-baglaminda-degerlendirilmesi.md)
- [Kuantum Hesaplama: Temeller, Algoritmalar ve Gelişmekte Olan Uygulamalar](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/kuantum-hesaplama-temeller-algoritmalar-ve-gelismekte-olan-uygulamalar.md)
- [Doğal Dil Üretim Modellerinde Insan-Bilgisayar Etkileşimi ve Görselleştirme: Uygulamalar, Zorluklar ve Fırsatlar](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/dogal-dil-uretim-modellerinde-insan-bilgisayar-etkilesimi-ve-gorsellestirme-uygulamalar-zorluklar-ve-firsatlar.md)
- [Kuantum Hesaplama Sistemleri İçin Uygulama Odaklı Performans Karşılaştırma Testleri ve Hacimsel Analiz Yöntemi](/okf/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/kuantum-hesaplama-sistemleri-icin-uygulama-odakli-performans-karsilastirma-testleri-ve-hacimsel-analiz-yontemi.md)

# Şeffaflık

- Analiz tarihi: 2026-08-29T23:46:20.947Z
- Kanıt sayısı: 11
- Üretim sürümü: makale-analizi-v3.0.0
- Kanonik sayfa: https://makaleanalizi.com/muhendislik-ve-teknoloji/bilgisayar-ve-elektrik-muhendisligi/dort-boyutlu-kaos-tabanli-kuantum-goruntu-sifreleme-algoritmasi