Depuis le tout début de la physique quantique, Il y a cent ans, on sait que toutes les particules de l'univers se répartissent en deux catégories :les fermions et les bosons. Par exemple, les protons trouvés dans les noyaux atomiques sont des fermions, tandis que les bosons comprennent des photons - qui sont des particules de lumière - ainsi que le boson de BroutEnglert-Higgs, pour laquelle François Englert, professeur à l'ULB, a reçu un prix Nobel de physique en 2013.

Les bosons, en particulier les photons, ont une tendance naturelle à se regrouper. L'une des expériences les plus remarquables qui a démontré la tendance des photons à fusionner a été menée en 1987, lorsque trois physiciens ont identifié un effet qui porte depuis leur nom :l'effet Hong-Ou-Mandel. Si deux photons sont envoyés simultanément, chacun vers un côté différent d'un séparateur de faisceau - une sorte de miroir semi-transparent -, on pourrait s'attendre à ce que chaque photon soit soit réfléchi, soit transmis.

Logiquement, les photons doivent parfois être détectés sur les côtés opposés de ce miroir, ce qui se produirait si les deux étaient réfléchis ou si les deux étaient transmis. Cependant, l'expérience a montré que cela n'arrive jamais réellement :les deux photons se retrouvent toujours du même côté du miroir, comme s'ils « préféraient » rester ensemble. Dans un article publié récemment dans la revue américaine Actes de l'Académie nationale des sciences , Nicolas Cerf, professeur au Centre d'information et de communication quantiques (École polytechnique de Bruxelles) et son ancien doctorant. L'étudiant Michael Jabbour, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Cambridge, décrit comment ils ont identifié une autre manière dont les photons manifestent leur tendance à rester ensemble. Au lieu d'un miroir semi-transparent, les chercheurs ont utilisé un amplificateur optique, appelé composant actif car il produit de nouveaux photons. Ils ont pu mettre en évidence l'existence d'un effet similaire à l'effet Hong-Ou-Mandel, mais qui dans ce cas capte une nouvelle forme d'interférence quantique.

La physique quantique nous dit que l'effet Hong-Ou-Mandel est une conséquence du phénomène d'interférence, couplé au fait que les deux photons sont absolument identiques. Cela signifie qu'il est impossible de distinguer la trajectoire dans laquelle les deux photons ont été réfléchis par le miroir d'une part, et la trajectoire dans laquelle les deux ont été transmises à travers le miroir d'autre part; il est fondamentalement impossible de distinguer les photons. La conséquence remarquable est que les deux trajectoires s'annulent ! Par conséquent, les deux photons ne sont jamais observés sur les deux faces opposées du miroir. Cette propriété des photons est assez insaisissable :s'il s'agissait de minuscules boules, identique en tout point, ces deux trajectoires pourraient très bien être observées. Comme c'est souvent le cas, la physique quantique est en contradiction avec notre intuition classique.

Les deux chercheurs de l'ULB et de l'Université de Cambridge ont démontré que l'impossibilité de différencier les photons émis par un amplificateur optique produit un effet peut-être encore plus surprenant. Fondamentalement, l'interférence qui se produit sur un miroir semi-transparent provient du fait que si l'on imagine commuter les deux photons de part et d'autre du miroir, la configuration résultante est exactement identique. Avec un amplificateur optique, d'autre part, l'effet identifié par Cerf et Jabbour doit être compris en regardant les échanges de photons non à travers l'espace, mais à travers le temps.

Lorsque deux photons sont envoyés dans un amplificateur optique, ils peuvent simplement traverser sans être affectés. Cependant, un amplificateur optique peut également produire (ou détruire) une paire de photons jumeaux :une autre possibilité est donc que les deux photons soient éliminés et qu'une nouvelle paire soit créée. En principe, il devrait être possible de dire quel scénario s'est produit selon que les deux photons sortant de l'amplificateur optique sont identiques à ceux qui ont été envoyés. S'il était possible de distinguer les paires de photons, alors les trajectoires seraient différentes et il n'y aurait pas d'effet quantique. Cependant, les chercheurs ont découvert que l'impossibilité fondamentale de distinguer les photons dans le temps (en d'autres termes, il est impossible de savoir s'ils ont été remplacés à l'intérieur de l'amplificateur optique) élimine complètement la possibilité même d'observer une paire de photons sortant de l'amplificateur. Cela signifie que les chercheurs ont en effet identifié un phénomène d'interférence quantique qui se produit dans le temps. Avec un peu de chance, une expérience finira par confirmer cette fascinante prédiction.