Луч видимого света входит в облако из миллиардов атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, и выходит с другой стороны уже в телекоммуникационном диапазоне. Так выглядит работа переводчика, который не теряет смысл фразы: атомы принимают фотон на «языке» 795 нанометров и отдают его на «языке» 1367 нанометров, пригодном для путешествий по оптоволокну. Сам перевод занимает меньше микросекунды, но именно он решает, заработает ли квантовый интернет.

Квантовые сети соединяют удалённые узлы через оптическое волокно, но лучшие кандидаты на роль квантовой памяти — атомы — излучают в видимом диапазоне, где потери в стекле огромны. Чтобы передать квантовое состояние на расстояние, его нужно перевести в телекоммуникационный диапазон, не разрушив. В этой работе переводчиком выступает холодное облако рубидия-87, захваченное в магнитооптическую ловушку. Три лазерных пучка — пробный 795 нм, связывающий 780 нм и управляющий 1324 нм — сводятся в облако, где по алмазной схеме четырехволнового смешения (нелинейный процесс, где три волны рождают четвёртую) рождается сигнальный фотон 1367 нм.

Раньше атомные системы для преобразования частоты отставали по эффективности от твердотельных кристаллов, а рекордные 65% в холодном ансамбле не были подтверждены детальными экспериментальными данными. Теперь показано, что алмазная схема в холодном рубидии даёт 66% и 80% при оптических плотностях 75 и 110 соответственно — выше всех прежних атомных результатов. Ключевой приём — выбор зеемановских подуровней (расщеплённые магнитным полем энергетические состояния атома), образующих циклический переход, что устраняет потери населённости и сохраняет когерентность. Оптимизацию параметров провели, опираясь на измеренные спектры электромагнитно-индуцированной прозрачности (квантовый эффект, делающий среду прозрачной для пробного луча) двух встроенных конфигураций — V-типа и каскадной.

Этот переводчик уже сегодня может служить интерфейсом между атомной квантовой памятью и оптоволоконной линией в прототипах квантовых репитеров. Следующий шаг — замена слабого когерентного пробного поля на истинный однофотонный источник и прямая проверка сохранения квантовой чистоты преобразованного состояния. Теоретическая модель предсказывает, что при оптической плотности 200 эффективность приблизится к 90%. Тогда атомные узлы смогут обмениваться фотонами в телекоммуникационном диапазоне без потери квантовой информации, и мечта о квантовом интернете станет на шаг ближе.