論文の概要: Parrondo paradox in quantum image encryption

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.16382v1
• Date: Fri, 22 Aug 2025 13:37:36 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-25 16:42:36.39374
• Title: Parrondo paradox in quantum image encryption
• Title（参考訳）: 量子画像暗号化におけるパロンドパラドックス
• Authors: Łukasz Pawela,
• Abstract要約: 本稿では、離散時間量子ウォーク(DTQW)をサイクル上で利用する量子画像暗号化プロトコルを提案する。 セキュリティにおけるパロンドパラドックスの役割を明確に検討する。 本結果は、DTQWに基づく量子画像暗号と、コイン/メッセージパラメータ選択に関する明確なガイダンスの両方を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We present a quantum image encryption protocol that harnesses discrete-time quantum walks (DTQWs) on cycles and explicitly examines the role of the Parrondo paradox in security. Using the NEQR representation, a DTQW-generated probability mask is transformed into a quantum key image and applied via CNOT to encrypt grayscale images. We adopt an efficient circuit realization of DTQWs based on QFT-diagonalization and coin-conditioned phase layers, yielding low depth for $N=2^n$ positions and $t$ steps. On $64\times 64$ benchmark images, the scheme suppresses adjacent-pixel correlations to near zero after encryption, produces nearly uniform histograms, and achieves high ciphertext entropy close to the 8-bit ideal. Differential analyses further indicate strong diffusion and confusion: NPCR exceeds $99\%$ and UACI is around $30\%$, consistent with robust sensitivity to small plaintext changes. Crucially, we identify parameter regimes in which alternating coin operations induce the Parrondo paradox and degrade security-raising correlations, lowering entropy, and reducing NPCR/UACI, thereby constituting practical failure modes. Our results provide both a performant DTQW-based quantum image cipher and clear guidance on coin/message parameter selection to avoid paradox-dominated regimes. We discuss implications for hardware implementations and extensions to higher-dimensional walks.
• Abstract（参考訳）: 本稿では、離散時間量子ウォーク(DTQW)を周期的に利用し、セキュリティにおけるパロンドパラドックスの役割を明確に検証する量子画像暗号化プロトコルを提案する。 NEQR表現を用いて、DTQW生成した確率マスクを量子キー画像に変換し、CNOTを介してグレースケール画像を暗号化する。 我々はQFT対角化とコイン条件の位相層に基づくDTQWの効率的な回路実現を採用し、N=2^n$位置と$t$ステップに対して低深さを得る。 64$64\times 64$ベンチマーク画像では、暗号後の隣接画素相関をほぼゼロに抑え、ほぼ均一なヒストグラムを生成し、8ビットイデアルに近い高い暗号文エントロピーを実現する。 NPCRは99 %$を越え、UACIは30 %$を越え、小さな平文変化に対する堅牢な感度と一致している。 さらに, コイン操作を交互に行い, パロンドパラドックスを誘導し, セキュリティ向上相関を低下させ, エントロピーを低下させ, NPCR/UACIを減少させ, 事実上の故障モードを構成するパラメータを同定した。 本研究は、DTQWを用いた量子画像暗号とコイン/メッセージパラメータ選択によるパラドックス支配を回避するための明確なガイダンスの両方を提供する。 ハードウェアの実装と高次元ウォークの拡張について論じる。

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