随着计算机、互联网通信等技术的快速发展,如何保护多媒体数据,尤其是保护图像数据的安全已经变得越来越重要。而图像加密技术的出现很好地解决了这些问题。近些年,混沌理论广泛应用于图像加密领域,然而现有的经典混沌系统并不完美,比如短周期性,这使得基于经典混沌映射的图像加密算法容易存在安全缺陷。量子随机游走(Quantum random walks,QW)是近年提出的一种新型量子计算模型,具有和混沌类似的性质,高度的非线性和并行计算的双重特性使得QW比现有混沌理论更有优势。因此,对基于QW的图像加密的研究具有重要的理论价值和现实意义。本论文以QW为基础来研究图像加密,主要研究工作及贡献如下:(1)构造了一种基于环上一维两粒子离散QW伪随机数生成器(PRNG)。利用多种随机性检测工具(如NIST,DIEHARD,ENT,TestU01)进行随机性检测,所生产的比特序列通过了随机性检测,并且在非周期性、统计复杂度、信息熵、计算时间、密钥空间、递归性等方面优于现有的伪随机数生成器。(2)构造了一种基于环上一维两粒子离散QW的灰度图像加密方案。和现有的图像加密方案比较表明:基于离散QW的图像加密算法在密钥空间、明文敏感性、密钥敏感性、相关性、信息熵等指标优于现有的图像加密方案。(3)构造了一种基于环上一维两粒子离散QW的彩色图像加密方案。一般的彩色图像加密算法都只是对三个分量单独进行加密,忽略了他们之间的联系。本算法对彩色图像的三个分量的组合进行全局扩散,增强了三个分量之间的联系,比起单独对每个分量进行加密,此算法的安全性更高。