Une étude, dont les résultats intitulés «One Photon Can Simultaneously Excite Two or More Atoms» ont été publiés dans la revue Physical Review Letters, a permis, à partir de calculs de physique quantique, de prédire qu'un photon unique, bien qu'étant indivisible, devrait pouvoir être absorbé par plusieurs atomes en même temps.

Rappelons tout d'abord que les quanta d’énergie découverts par Einstein, qui sont indivisibles, ont été «appelés photons en 1926 par le physicien et chimiste Gilbert Lewis»: leur énergie E est égale au produit de la constante de Planck h par la fréquence de la lumière ν. Les photons permettent à des électrons, «lorsqu’ils ont la bonne fréquence», de sauter «entre les niveaux d’énergie discrets des atomes et des molécules».

Pour sa part, l'étude ici présentée vient de prédire que bien qu'étant indivisible, un photon pourrait être absorbé par plusieurs atomes en même temps. Cette idée «de prime abord contre-intuitive» correspond tout de même à l’esprit du monde quantique dans lequel la superposition des états «autorise que, quelquefois, une particule semble se trouver dans deux endroits à la fois».

En fait, il peut arriver, par exemple, que les transitions atomiques dans deux atomes, «lorsqu’un électron saute de son état de plus basse énergie à un état plus élevé», peuvent «être telles que la somme des énergies de transition soit égale à celle du photon», de sorte que c'est «un peu comme si malgré tout un photon pouvait, dans certaines situations, se diviser». Si l'expérience «n’a pas encore été réalisée», les calculs théoriques de l'étude montre que son résultat devrait être positif.

Pour la mise en œuvre de cette expérience, il est proposé de travailler sur deux atomes dans une cavité QED «du genre de celle utilisée pour les expériences d’électrodynamique quantique». Cette cavité «a des parois réfléchissantes» qui «maintiennent des ondes électromagnétiques stationnaires, avec des modes de longueurs d’onde, et donc de fréquences, connus».

Les calculs prédisent que «quand la fréquence de ces modes est double de celle d’un photon» et que «celle-ci est elle-même le double de celle d'une même transition atomique dans deux atomes identiques, alors ces deux atomes peuvent effectivement absorber simultanément un seul photon». De plus, le processus inverse, l’émission, est également possible. Ainsi de suite, «avec trois atomes ou plus pourvu que le rapport entre la fréquence d’un des modes de la cavité et celle du photon soit un entier».