Une étude, dont les résultats intitulés «Atomic Hong–Ou–Mandel experiment» ont été publiés dans la revue Nature, a permis, pour la première fois, de réaliser des interférences entre deux atomes indiscernables qui sont envoyés de part et d'autre d'un 'miroir semi-réfléchissant', mais en ressortent toujours ensemble.

Évoquée dès 1924 par Bose et Einstein, la notion de particules indiscernables «est au cœur des manifestations les plus déroutantes de la mécanique quantique».

L'une d'entre elles, «observée expérimentalement il y a presque 30 ans par Hong, Ou et Mandel», fait intervenir des photons et un miroir semi-réfléchissant: alors qu'un photon, envoyé sur une face ou l'autre de ce miroir, «a une chance sur deux de passer au travers et une chance sur deux d'être réfléchi», si l'on envoie simultanément «deux photons identiques sur l'une et l'autre des faces du miroir, on constate que ceux-ci peuvent en ressortir d'un côté ou de l'autre, mais toujours ensemble».

Cette expérience, qui met en évidence l'impossibilité pour les deux photons «de repartir chacun de leur côté», n'avait pas pu être jusqu'ici reproduite avec de la matière, «du fait de l'extrême difficulté à créer et manipuler des paires d'atomes indiscernables».

Ce n'est plus le cas aujourd'hui compte tenu de l'étude ici présentée, qui est parvenue à manipuler des atomes d'hélium 4 en lieu et place de particules de lumière «sur l'équivalent, pour la matière, d'un miroir semi-réfléchissant».

Notons que le constat d'interférences quantiques destructives découle du fait que «le processus où les deux atomes sont simultanément réfléchis et celui où ils sont simultanément transmis s'annulent l'un l'autre».

Pour créer des paires d'atomes indiscernables et les manipuler, un «condensat de Bose Einstein contenant près de 100 000 atomes d'hélium 4» a été tout d'abord réalisé. Ensuite, les collisions entre particules ont été contrôlées de façon à «produire des paires d'atomes indiscernables, sortant de ce gaz très froid au rythme d'une toutes les 30 secondes en moyenne».

Les atomes ont alors été manipulé «à l'aide de faisceaux lasers, pour réaliser l'équivalent du montage optique de l'expérience que Hong, Ou et Mandel avaient réalisée avec des photons». Enfin, «pour caractériser l'effet d'interférence», l'instant d'arrivée des deux atomes de part et d'autre de leur miroir a été décalé.

Il est ainsi apparu, «après des dizaines d'heures d'enregistrement», que lorsque les deux arrivées sont séparées de plus d'une centaine de microsecondes, chaque atome choisit sa voie de sortie indépendamment de l'autre tandis que lorsque les arrivées sont plus rapprochées, les atomes ont tendance à sortir du même côté», l'effet étant à son maximum «lorsque les atomes arrivent simultanément».

Ces travaux, réalisés grâce à une «manipulation très fine des paires d'atomes», sont remarquable pour «leur potentiel d'application dans le champ de l'information quantique, qui consiste à exploiter les spécificités de la physique quantique pour un traitement plus efficace et une communication plus sécurisée de l'information».