和经典世界不同,作为探索量子领域的学科,量子力学从诞生以来,多次以违反直觉的方式为我们带来新奇的现象。当量子力学描述一个孤立体系的演化的时候,系统演化的过程可以用一个幺正算符来表示。而幺正算符是可逆的,这启发人们,是否可以通过量子系统来实施可逆计算。量子行走是量子物理和量子信息的重要分支之一,主要解决量子算法和量子模拟等前沿问题。量子行走拥有优于经典的特性,导致携带信息的量子态的扩散速度与经典相比有二次方的增长。目前量子行走已证明可实现量子新型算法,量子通讯,量子测量,量子计算以及量子模拟等,即量子行走可以实现量子信息处理的所有步骤。因此量子行走引起人们广泛的关注,对量子行走的理论和实验的研究也来越重要。在本论文中,我们围绕量子行走的实验实现作展开,讲述实现量子行走的相关内容。具体包括:提出了一个实际物理体系中实现位相空间量子行走的方案,介绍实验实现量子行走所需的光学元件及常用的技术,实验上实现时间依赖的硬币抛掷下的一维光量子行走,实验上实现位置空间中圆上的量子行走,实验中利用光量子行走实现量子广义测量。1.基于超导的带状线谐振器与双量子点耦合的量子电动力学系统,提出了一个实现位相空间量子行走的方案,展示了量子行走实验实现的可行性。在方案中,我们详细介绍了量子行走中各个元素是如何在实际的体系中实现的。在体系中,通过调控外加驱动场的强度,我们观测到量子行走向经典随机行走的转化。2.介绍了线性光学体系中常用的光学元件的原理及应用。简要分析了非线性晶体中的参量下转换过程并介绍了用参量下转换制备单光子源和双光子纠缠源的方案。通过光学元件的设计,讲述了常用的量子态的制备,操作与测量的方法。3.实验上实现了时间依赖的硬币抛掷下的一维光量子行走。观测到量子行走中信息的传播扩散与恢复现象,理论方案的设计和实验的验证展示了携带信息的量子态可以在任意的演化时间后恢复至初始状态,从根本上解决了信息在量子行走时能否恢复、如何恢复的难题,给出确切的证据证明量子行走可以应用于量子通信。4.实验上实现了位置空间中圆上的量子行走。设计方案用两个光束偏移器和一定个数半波片实现了圆上N个格点的条件位移算符,使行走者可以沿着顺时针和逆时针方向行走。和其它在位相空间中实现的圆上量子行走的体系相比,我们是在真实的位置空间中实现了圆上的量子行走。5.实验上利用光量子行走实现量子广义测量。实验中我们用量子行走构建了正定算符测量,实现了对非正交量子态的识别。量子行走构建正定算符测量的过程是可以程序化的,通过这种程序化的方案,我们实验上用5步的量子行走实现了单比特的对称信息完整的正定算符测量的构建。简言之,本论文的研究有助于人们更好的开发量子行走的应用,将量子行走作为一种普适的方法应用于量子计算,量子模拟,量子计量,及量子通信等领域。