Une règle de lumière, c'est ainsi que l'on peut décrire la nouvelle méthode pour mesurer de minuscules délais temporels. En 1987, Chong Ki Hong, Zhe-Yu Ou et Leonard Mandel ont remarqué que si deux photons indiscernables arrivent simultanément sur une séparatrice, ils ressortent toujours ensemble par le même port. Cette interférence de Hong-Ou-Mandel est devenue un outil extrêmement fin pour mesurer le temps. Mais elle a une limite : les photons doivent arriver presque en même temps, dans les limites de leur temps de cohérence (ici, seulement 0.44 picoseconde). Si le délai est plus grand, la figure se brouille et la règle cesse de fonctionner.

Les physiciens du groupe de Mehul Malik ont trouvé un moyen d'allonger cette règle. Ils ont dirigé des paires de photons vers un réseau de diffraction et une matrice de huit photodiodes à avalanche, qui enregistrent non seulement le fait que le photon arrive, mais aussi sa fréquence. La fréquence, c'est la couleur, ou l'énergie du photon. Si les photons arrivent avec des fréquences différentes, ils sont discernables et l'interférence disparaît. Mais si les fréquences se chevauchent, une interférence quantique apparaît même pour de grands délais. Dans l'expérience, ils ont réussi à mesurer des délais allant jusqu'à 4 picosecondes avec une incertitude d'environ 10 picosecondes par coïncidence, soit des dizaines de fois le temps de cohérence.

L'idée clé est que la résolution fréquentielle efface l'information sur le photon qui arrive en premier. Un détecteur ordinaire, qui ne distingue pas les fréquences, ne voit qu'une image floue. En revanche, la matrice sensible spectralement décompose la lumière en canaux de fréquence distincts, et dans chaque canal, l'interférence est restaurée. C'est un peu comme si l'on pouvait diviser une salle bruyante en pièces séparées, et que dans chacune, on entendait clairement son interlocuteur.

Jusqu'à présent, on pensait que pour mesurer de tels délais, il fallait de la lumière non classique, par exemple des paires de photons intriqués. Ces travaux montrent qu'un laser ordinaire, atténué jusqu'au niveau de photons uniques, fait aussi bien. Cela lève les limitations de luminosité et de bande passante inhérentes aux sources de photons uniques, et rend la méthode pratique. Dès aujourd'hui, on peut l'utiliser en télémétrie quantique, pour la synchronisation d'horloges distantes et en tomographie par cohérence optique, partout où il faut mesurer précisément le temps de parcours de la lumière.

L'avenir de cette règle de lumière réside dans l'augmentation du nombre de pixels et l'amélioration de leur résolution temporelle. On pourra alors se rapprocher de la limite quantique de précision et mesurer des délais encore plus petits. Peut-être apprendrons-nous à mesurer des déplacements transversaux et d'autres paramètres où la résolution fréquentielle lève aussi la dégénérescence. Ainsi, la physique fondamentale de l'interférence de photons indiscernables se transforme en un outil de travail pour des mesures de précision.