随机性支配着许多事情，从细胞集落的生长和聚合物的聚集，到你把奶油倒进一杯咖啡时形成的卷须形状。早在1905年，科学家们就用统一的方式描述了这些看似无关的现象：随机行走。通过想象单个粒子或分子不断地朝着随机方向前进，研究人员已经成功地模拟了经典物理的许多复杂性。现在科学家们将随机行走的想法带到了量子世界，在那里“步行者”可以表现出量子叠加和纠缠等非经典行为。
这些量子随机游动可以模拟量子系统，最终可能被用来实现快速的量子计算算法。然而，这将需要步行器在多个维度(二维或更高)移动，这已经很难通过实用和可扩展的方式实现。使用光子的量子行走特别有希望，因为光子可以以波的形式，以能量形式传播很远的距离。然而，光子不带电荷，这就很难完全控制它们的运动。特别值得一提的是，光子不会对磁场做出反应，磁场是操纵原子或电子等其他粒子的重要工具。
为了解决这些缺点，联合量子研究所(JQI)的研究人员，采用了一种可扩展的方法来协调二维量子随机光子行走，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。由联合量子研究所研究员Edo Waks和Mohammad Hafezi领导的研究小组，在这个平台上开发了与光子相互作用并影响光子量子步行者运动的合成磁场。马里兰大学的物理、电气和计算机工程教授，电子和应用物理研究所(IREAP)的成员瓦克斯说：光子学为研究知之甚少的量子系统行为提供了一个独特机会。
这项研究背后的概念，可以帮助研究人员探索新的合成物质，这些物质还不存在，但可能具有有趣的特性和应用。之前对光子量子行走的研究使用复杂光学网络来创建穿越空间的实际路径，供量子步行者遵循，在一维量子行走中将光子分裂为左路径和右路径。但是，模仿高维行走（光子可以向上、向下、向左、向右或超越）在这样的系统中实现起来太麻烦了。为了解决这个问题，研究小组采用了一种更简单的方法来产生光子量子行走。
研究没有使用复杂的光学装置来创建光子实际路径，而是使用不同长度的光缆来模拟光子步行者可能移动的不同方向。由于光子沿着较长光纤传播需要更长的时间，因此传播时间可以编码光子可以走的不同方向。通过将光子引导到随机光纤下，并一次又一次地将它们重新路由回系统，研究人员可以使用时间延迟而不是物理位置来模拟量子随机行走，与之前的方法相比，这是一个显著的简化。通过测量每一步后光子脉冲之间的延迟，研究人员能够确定光粒子从它们的初始位置漫游了多远。
好处是，只需使用更多不同长度的光缆，就可以很容易地将其扩展到更高的维度。在二维量子随机行走演示中，研究人员为光子创造了一个合成磁场，有朝一日，这种磁场可能会让更复杂的量子行走，甚至可以模拟任意量子系统。通过根据光子脉冲在每一步移动的方向修改其波动性质，研究小组在步行者身上创造了一个有效的磁场。这项研究是迈向更实用基于光子量子随机行走的重要一步，探索这些系统如何运作，以及如何控制它们，将使我们能够进行更复杂的量子模拟。
