为了突破这一瓶颈，10月29日，浙江大学、中科院物理所、南方科技大学、合肥国家实验室的科研团队携手合作，在《Physical Review Letters》期刊上发表了题为“Velocity Scan Tomography for Room-Temperature Quantum Simulation”（用于室温量子模拟的速度扫描层析成像）的研究论文，Jiefei Wang、Ruosong Mao、Xingqi Xu为论文共同第一作者，王大伟教授、蔡晗研究员、Xingqi Xu为论文共同通讯作者。
研究者们提出了一种新的速度扫描层析成像技术，用于在室温条件下进行量子模拟。这项技术能够在室温条件下精确地区分不同速度的原子响应，从而克服原子热运动带来的干扰，实现在超辐射晶格中的冷原子光谱分辨率。
在本项研究中，研究者们成功地观察到超辐射晶格在不同有效静态电场中的Wannier-Stark能梯，且发现其强度与原子速度成正比，这为理解量子态的演化提供了新的视角。同时，他们通过监测原子速度函数的能梯频率变化，成功提取了超辐射晶格的Zak相位，这一关键参数的获取有效地展示了能带的拓扑卷绕，为深入理解量子物理的拓扑性质提供了重要依据。
这项研究的成功不仅标志着室温量子模拟技术的重大突破，而且为量子信息处理、量子计算等应用领域的发展开辟了新的途径。
背景
诸如冷原子、超导线路、离子阱等量子平台被广泛用于模拟奇异的量子物质，因为它们在哈密顿工程中具有特殊的可控性和灵活性。在模拟涌现量子现象时，一个常见的要求是将量子系统冷却到足够低的温度以消除热噪声，否则会破坏量子态的相干性。然而，对于量子模拟的实际应用，如拓扑绝缘体激光器，量子平台在环境温度下运行就势在必行了。不幸的是，除了光子系统之外，实现这种温度弹性是相当罕见的。这一挑战可以归因于所涉及的量子系统的能量尺度。光子通常具有1 eV左右的能量量子，比室温下黑体辐射的能量要大得多。相比之下，用于量子模拟的冷原子依赖于运动自由度，其的能量尺度非常小，只有在1µK以下的超低温下才能识别。这一限制限制了拓扑效应在基于原子的系统中的可及性和潜在的应用。
为了利用具有柔性哈密顿工程特征的原子强度，以及光子表现出的热噪声的弹性，基于原子集体激发态的超辐射晶格开始被用于在室温下进行量子模拟。在这些实验中，采用多束激光束耦合原子集合的内部电子能级，形成动量空间紧束缚晶格，其中原子运动引入有效的静电场，其强度与原子速度成正比。然而，仍存在一个重大挑战。原子速度的热分布是获得超辐射晶格在不同有效电场下的动力学响应的一个障碍。这一限制阻碍了在室温下几何相的精确提取和高维拓扑物质的量子模拟。
理论模型
研究人员构建了多个理论模型，包括超辐射晶格模型、Wannier-Stark能梯模型、速度扫描层析成像模型和Zak相位提取模型。
1.超辐射晶格（Superradiance Lattices, SL）理论模型：超辐射晶格被用于在室温下模拟相干的拓扑物理现象，通常需要通过使用多个激光束耦合原子的内部电子能级来形成动量空间的紧束缚晶格。研究者们运用超辐射晶格理论模型，并结合速度扫描层析成像（VST）技术，通过测量具有选定速度的原子的超辐射晶格吸收光谱，从而克服原子热运动带来的挑战。超辐射晶格理论模型的应用标志着室温量子模拟的可行性，并促进了其在量子信息处理中的应用。
2. 瓦尼尔-斯塔克能梯（Wannier-Stark Ladder, WSL）理论模型：研究团队通过理论推导，建立了Wannier-Stark能梯强度与原子速度之间的正比关系。这一关系的建立，为分析超辐射晶格中的物理特性提供了重要依据。通过实验验证，研究团队发现，当原子在超辐射晶格中运动时，其速度会影响Wannier-Stark能梯的强度。具体来说，原子的速度越大，Wannier-Stark能梯的强度也越大。这一发现为理解室温下量子系统的行为提供了新的视角。
图1：速度扫描层析成像。
3. 速度扫描层析成像（Velocity Scanning Tomography, VST）技术模型：VST理论模型是一种创新的扫描技术，它利用原子速度的差异来分辨和测量不同速度原子的响应。通过VST，可以在室温下实现冷原子光谱分辨率，从而准确测量物理量。研究者们在该实验中运用VST理论模型区分不同速度原子的响应、测量特定速度原子的超辐射晶格吸收光谱、系统地扫描不同速度以监测Wannier-Stark能梯的能量变化、提取几何相位以及模拟高维拓扑物质，克服了原子热运动带来的挑战，并实现了室温量子模拟的可行性。
4．Zak相位提取模型：通过监测原子速度函数的能梯频率变化，研究者们成功提取了超辐射晶格的Zak相位。Zak相位是描述量子系统中能带拓扑性质的重要参数。在本文中，Zak相位的提取有效地展示了能带的拓扑卷绕，为深入理解量子物理的拓扑性质提供了重要依据。
实验方法
实验开始时，研究者们首先建立了一个超辐射晶格。通过使用多个激光束耦合一组原子的内部电子能级，形成动量空间的紧束缚晶格，它能够在室温下模拟相干的拓扑物理现象。在超辐射晶格中，原子的运动引入了一个与原子速度成正比的有效静态电场。这个电场的强度与原子的速度相关联，为模拟提供了一个可控的参数。
为了克服原子热运动带来的挑战，研究者们运用了一种称为速度扫描层析成像（VST）的技术，能够测量特定速度移动的原子的超辐射晶格吸收光谱。
为了能够监测超辐射晶格的Wannier-Stark能梯的能量变化，改变电场强度，研究者们系统地扫描了不同的原子速度，并通过比较泵浦前后的吸收光谱，获得泵浦原子的超辐射晶格响应，进而推导出超辐射晶格在各种有效静态电场中的Wannier-Stark能梯，其强度与原子速度成正比。
最后，通过监测Wannier-Stark能梯的频率偏移作为原子速度的函数，研究者们提取了超辐射晶格的Zak相位，有效地证明了能带的拓扑卷绕。
图2：Zak相位的光谱测量。
图3：用于测量陈数的威尔逊环方法从Zak相位的卷绕。
图4：Zak相位的拓扑卷绕。
研究成果
实现室温量子模拟：研究指出，量子模拟通常需要在超低温度下维持量子相干性，但本研究通过使用超辐射晶格在室温下模拟了相干拓扑物理。并通过速度扫描层析成像技术，克服了原子热运动对精确测量物理量的挑战，实现了在室温下的冷原子光谱分辨率。
提取拓扑性质：本项研究通过比较有无特定速度原子移动时的吸收光谱，得出了超辐射晶格在不同有效静电场下的Wannier-Stark能梯。并通过监测阶梯频率随原子速度的变化，提取了超辐射晶格的Zak相位，有效证明了能带的拓扑卷绕。
创新性
本项研究的创新性主要体现在三个方面：
首先是速度扫描层析成像技术。这项技术能够分辨不同速度原子的响应，使得在室温超辐射晶格中实现冷原子光谱分辨率成为可能。本项研究采用该技术，为行业提供了一种新的方法来研究室温下的量子现象，克服了传统量子模拟中需要超低温度的限制。
其次是证实了室温量子模拟的可行性。本项研究证明了在室温下进行量子模拟的可行性，这对于量子信息处理等实际应用具有重要意义。通过室温量子模拟，可以更容易地实现量子平台的实际应用，如拓扑绝缘体激光器等。
最后是拓扑性质的提取。本项研究通过监测Wannier-Stark能梯频率随原子速度的变化，本研究成功提取了超辐射晶格的Zak相位，这是拓扑物理中的一个重要性质。这一方法的成功应用，为研究其他拓扑物理现象提供了新的思路和技术手段。
主要研究人员