隨機(jī)性控制著很多事情，從細(xì)胞集落的生長(zhǎng)和聚合物的團(tuán)聚到將奶油倒入一杯咖啡時(shí)形成的卷須形狀。

自1905年以來，科學(xué)家就以統(tǒng)一的方式描述了這些看似無關(guān)的現(xiàn)象：隨機(jī)游走。通過想象單個(gè)粒子或分子不斷在隨機(jī)方向上邁進(jìn)，研究人員成功地對(duì)許多經(jīng)典物理學(xué)的復(fù)雜性進(jìn)行了建模。

最近，科學(xué)家將隨機(jī)游走的想法帶到了量子世界，在這里，“ 游走者”可以表現(xiàn)出非經(jīng)典行為，例如量子疊加和糾纏。這些量子隨機(jī)游走可以模擬量子系統(tǒng)，并且最終可以用于實(shí)現(xiàn)快速的量子計(jì)算算法。但是，這將需要助行器在多個(gè)維度(2-D或更高)上移動(dòng)，這很難以實(shí)用且可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)。

使用光子(光的量子粒子)的量子行走特別有前途，因?yàn)楣庾涌梢砸阅芰啃问絺鞑ズ荛L(zhǎng)的距離。但是，光子不帶電荷，因此很難完全控制其運(yùn)動(dòng)。特別是，光子不會(huì)對(duì)磁場(chǎng)作出反應(yīng)，這是操縱其他粒子(例如原子或電子)的重要工具。

為了解決這些缺點(diǎn)，聯(lián)合量子研究所(JQI)的研究人員采用了一種可伸縮的方法來編排光子的二維量子隨機(jī)游動(dòng)，該結(jié)果最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。由JQI研究員Edo Waks和Mohammad Hafezi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該平臺(tái)上開發(fā)了與光子相互作用并影響光子量子步行者運(yùn)動(dòng)的合成磁場(chǎng)。

瓦克斯(Waks)也是電子與應(yīng)用物理研究所(IREAP)的成員，也是該大學(xué)的物理學(xué)，電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授，他說：“光子學(xué)為研究人們對(duì)量子系統(tǒng)的了解提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。馬里蘭大學(xué)。“這項(xiàng)工作背后的概念可以幫助研究人員探索尚不存在但可能具有有趣性質(zhì)和應(yīng)用的新合成物質(zhì)。”

先前對(duì)光子量子行走的研究使用復(fù)雜的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)建穿過空間的實(shí)際路徑，以供量子行走者遵循，將一維量子行走中的光子分為左右路徑。但是，模仿高維行走(光子可以在其中上，下，左，右或超出該范圍)，對(duì)于此類系統(tǒng)而言太麻煩了。

為了解決這個(gè)問題，研究小組采用了一種更簡(jiǎn)單的方法來產(chǎn)生光子量子行走。他們沒有使用復(fù)雜的光學(xué)裝置為光子創(chuàng)建實(shí)際的路徑，而是使用不同長(zhǎng)度的光纖電纜來模擬光子助行器可能移動(dòng)的不同方向。由于光子沿著更長(zhǎng)的光纖傳播需要更多的時(shí)間，因此傳播時(shí)間可以編碼光子可以采取的不同方向。

通過將光子射向隨機(jī)光纖，并一次又一次地將它們重新路由回系統(tǒng)，作者可以使用時(shí)間延遲而不是物理位置來模擬量子隨機(jī)游動(dòng)，與以前的方法相比，這是一個(gè)極大的簡(jiǎn)化。通過測(cè)量每一步之后光子脈沖之間的延遲，研究人員能夠確定光粒子從其初始位置漫游了多遠(yuǎn)。

IREAP的博士后研究員，研究的主要作者Hamidreza Chalabi說：“我們平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是，只需使用更多不同長(zhǎng)度的光纜，就可以輕松地將其縮放到更大的尺寸。”

在對(duì)二維量子隨機(jī)游動(dòng)的演示中，研究人員為光子創(chuàng)建了一個(gè)合成磁場(chǎng) -有一天可能允許進(jìn)行更復(fù)雜的量子游走，甚至可以模擬任意量子系統(tǒng)。通過根據(jù)光子脈沖在每一步中移動(dòng)的方向來修改其光波性質(zhì)，該團(tuán)隊(duì)在助行器上創(chuàng)建了一個(gè)有效磁場(chǎng)。然后，研究人員測(cè)量了步行者從其初始位置走了多遠(yuǎn)，并觀察到步行者沒有走到?jīng)]有野外時(shí)的走遠(yuǎn)-這是理論上的預(yù)測(cè)。

瓦克斯說：“這項(xiàng)工作是朝著更實(shí)用的基于光子的量子隨機(jī)游走邁出的重要一步。” “探索這些系統(tǒng)的行為方式以及我們?nèi)绾慰刂扑鼈儗⑹刮覀兡軌驁?zhí)行更復(fù)雜的量子仿真。”