量子模拟是针对自然界中难以被调控和计算的量子物理现象，利用人工可控的量子系统建立物理模型，模拟研究其量子物理特性的方法，在探索新材料方面具有重要意义。传统的量子模拟平台，如冷原子光晶格、离子阱、超导量子比特等系统，均需要极低的温度来维持量子态的相干性。对冷原子来说，其哈密顿量的能量尺度在kHz量级，需要将原子冷却至nK温度。但是对原子的调控容易导致加热和原子损失，限制了量子模拟的范围。

为摆脱温度对量子模拟的限制，超辐射晶格利用原子集体激发态即超辐射态来构筑晶格。其能量尺度大约为1eV，远远高于室温环境的黑体辐射温度。因此，超辐射晶格可以在室温下工作。此外，超辐射晶格作为动量空间晶格，其布里渊区位于实空间。原子的空间位置可类比于固体电子的晶格动量。这一特性为超辐射晶格提供了全新的调控方式，并为其能带拓扑性质的观测带来了便利。

然而，室温量子模拟依然存在一个障碍。由于多普勒展宽的存在，我们难以测量不同速度原子的超辐射晶格光谱，不能精确得到陈数等重要物理量。为了克服这一困难，浙江大学量子光学团队提出并实现了一种名为“速度扫描层析”（VST）的新技术，通过对原子速度进行“CT”扫描，实现了超辐射晶格的高精度光谱测量。

图1. 速度扫描层析示意图

图2. 超辐射晶格的速度可分辨吸收光谱

实验使用两束对向传播的强激光和一束弱探测激光耦合铷原子构建超辐射晶格（图1），使用另一束窄线宽的泵浦光将特定速度的原子从基态泵浦到辅助能级，使其速度分布缺少这一速度的原子。通过改变泵浦光频率可实现对特定速度原子的选择。在数据处理方面，通过对比有无泵浦光情况下探测光的吸收谱，可精确测量不同速度原子所对应的能谱。由于原子速度等效于晶格中电子所感受到的电场，不同速度原子的超辐射晶格光谱体现出晶格电子在静电场中的谱学特征，即瓦涅尔-斯塔克能梯（图2）。

图3. 超辐射晶格中Zak 相位的拓扑卷绕

VST技术不仅简化了量子模拟的实验条件，还首次在实验中利用威尔逊圈（Wilson loop）测量了能带陈数。针对一个二维超辐射晶格哈密顿量，研究人员首先对二维能带降维，利用VST测量一系列平行一维能带的Zak相位，进而通过Zak相位的卷绕测量了晶格的陈数。

此项研究是该团队继室温原子超辐射晶格手性边缘流[Phys. Rev. Lett. 122, 023601(2019)]、平带局域化[Phys. Rev. Lett. 126, 103601(2021)]、几何相位测量[Light Sci. Appl. 11, 291 (2022)]、弗洛凯超辐射晶格[Phys. Rev. Lett. 129, 273603 (2022)] 后的又一重要成果，表明了VST可以解决原子热运动问题，为超辐射晶格室温量子模拟铺平了道路，也为基于热原子的量子精密测量技术提供了新方法。

    该研究成果发表于《物理评论快报》（Jiefei Wang et al., “Velocity Scanning Tomography for Room-Temperature Quantum Simulation”, Phys. Rev. Lett. 133, 183403 (2024)）。论文共同第一作者是浙江大学物理学院博士生王洁菲和毛若松博士、徐兴奇博士，共同通讯作者为徐兴奇博士、蔡晗研究员和王大伟教授。其他作者还包括浙江大学博士生陆耘舟、戴剑豪、刘枭，胡慧珠教授，朱诗尧院士，以及中国科学院物理研究所的刘刚钦研究员和南方科技大学的鲁大为副教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等基金支持。