量子行走是经典随机行走在量子世界的对应物。基于相干叠加性和量子干涉,量子行走用于实现通用量子计算机、量子通信以及量子模拟。本论文主要讨论离散时间量子行走的基本性质,通过引入量子控制操作实现不同性质行走的相干叠加。通过光学环路结构实现能够精确调控高维量子态的可编程量子行走。主要工作概括如下。量子行走与经典随机行走之间的转变这一研究内容有助于理解量子行走的计算特性,以及与这两种行走相关的动力学。已有的研究工作通过消相干、测量等操作实现了不同类型行走的混和态。我们引入量子控制实现两种行走的相干叠加态。通过辅助比特与硬币行走者相互作用,硬币-行走者演化后对辅助比特进行不同操作,实现量子行走中波态和粒子态之间的连续调控,制备多路径的波态和粒子态的相干叠加态。分别计算位置分布及方差随系统系数的变化情况,计算结果表明量子调控使得行走者不仅可以处于粒子和波的混和态,还能处于相干叠加态,并给出混和态和相干叠加态的差异。我们的方案可以通过相干和混和两种不同方式,实现不同类型行走之间的连续调控。高维相干叠加态是量子信息科学与技术领域的重要资源。随时间和空间可变的硬币操作能提升对动力学过程的操控,从而实现任意的高维相干叠加态。然而,这种空间-和时间-非均匀量子行走的实验实现需要稳定并且精确的调控硬币操作,目前还没有在任何系统中实现。我们采用光学环路的结构实现非均匀量子行走。实验中通过稳定的偏振Sagnac干涉仪实现与时间和位置相关的硬币操作。结合不同的初态制备,非均匀量子行走能够模拟单光子丰富的动态特性,实现不同位置状态的相干叠加态。我们分别实现了Hadamard分布、高斯分布和相干等几率分布,并实验验证整个演化过程保持良好的相干性。最后用Shannon熵度量高维相干叠加态的随机性,计算结果表明随机性随着演化步数t的增加而显著提高,并且三种分布中相干等几率分布的随机性最大。一次量子测量后相干等几率分布直接生成多比特随机序列,并且通过增加演化步数t能够有效提高比特率。