量子游走是经典随机游走的量子力学模拟，是一种利用量子力学性质产生随机过程的数学统计模型，它提供了一种先进的工具，可用于模拟高度复杂的量子系统，并在广泛的研究领域中建立量子算法。一个突出的应用是在能够执行任何量子计算的计算模型中，其中需要精确控制的状态转移。
经典随机游走与经典的随机游走不同，在经典算法中游走者为确定的状态，由于状态之间的随机跃迁而产生随机性，而在量子游走中，随机性可以下述方式产生：状态的量子叠加，非随机，可逆的幺正进化由于状态测量，波函数崩溃。和经典的随机游走相比，由于量子纠缠的非定域性和量子叠加态的相位干涉，能够以更高的速度探索目标空间。
但是由于这样的量子随机性，通常难以控制量子游走的行为。比方说，抛硬币，如果是头，向左走一步；如果是尾，向右走一步。而在量子世界里，是立刻向两个方向移动，像波一样展开。这种随机性使游走难以控制，从而使精确设计系统更加困难。
日本的一个研究团队通过揭示每个量子游走的方向决策所依据的机制，介绍一种潜在地控制运动方向的方法，朝着更加受控的游走方向发展。该研究成果论文发表在最近的《自然》杂志的《科学报告》上。
研究人员基于波粒二象性揭示游走机制，然后在设计的时间相关硬币下使用游走机制提出量身定制的量子游走，以按需操作所需的状态，就像在通用量子计算基元中一样。这样的的研究结果为控制量子游走开辟了道路。
论文第一作者、广岛大学综合艺术与科学研究生院研究生、片山春奈说：“在我们的研究中，我们专注于确定量子游走行为的硬币，以探索可控性。”
在经典系统中，硬币将游走者引导到空间中：右还是左。在量子系统中，硬币的可靠性是无限低的，因为助行器既可以作为一个粒子站立在一个空间中，又可以作为一种波在整个时间范围内伸展开来。
片山说：“我们推出了随时间变化的硬币，其落在头或尾上的概率随时间的变化，以揭示硬币的功能。”
研究人员发现，这种随时间变化的硬币可以改变游走者的位置，但是游走者的波动特性掩盖了该硬币控制了多少物理空间。
片山说：“我们首次成功阐明了两个完全不同的概念的等效性，即硬币概率的变化率和波动速度的等效性。”“这种公开的机制使我们能够通过保留随机过程来操纵硬币，从而控制按需进行的量子步移，提供了创新的量子信息处理技术的核心基本要素。”
研究人员确定硬币的翻转速度直接影响了波浪的运动速度，从而对游走者的运动产生了一定的控制作用。
片山说：“通过这种游走机制，我们可以通过操纵硬币的翻转速度来定制量子游走。”“此外，我们发现通过设计硬币可以按需实现具有所需轨迹的量子游走。我们的研究结果为控制量子游走开辟了道路。”
参考：Floquet-engineeredquantumwalks,ScientificReports(2020).DOI:10.1038/s41598-020-74418-w
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