La lumière ordinaire est un flux de particules indépendantes : les photons se traversent sans se soucier de leurs voisins. Mais dans les circuits supraconducteurs, refroidis à des températures proches du zéro absolu, la donne change. Là, les photons voyagent le long d'étroits chemins métalliques, et si l'on y intègre de minuscules éléments appelés jonctions Josephson, la lumière commence à « se sentir » elle-même. Chaque photon déforme légèrement le trajet du suivant — comme si des personnes marchant en file indienne posaient tour à tour le pied sur la même lame de plancher qui rebondit.
Les auteurs de la nouvelle étude ont calculé qu'avec des paramètres réalistes de ces lignes, l'interaction entre photons peut être renforcée au point qu'ils cessent de se comporter comme des particules indépendantes. Au lieu de cela, ils forment un état particulier — le gaz de Tonks-Girardeau. Dans cet état, les photons imitent les fermions : des particules qui ne peuvent pas occuper simultanément le même endroit. La lumière devient comme « plus dure » et acquiert une structure interne, semblable à une file de personnes qui maintiennent chacune une distance.
L'intérêt pratique de l'idée réside dans le fait qu'elle peut être testée dès maintenant : il suffit de mesurer comment la lumière ayant traversé une telle ligne se répartit dans le temps. Si les photons sont réellement devenus « fermionisés », cette répartition présentera des creux caractéristiques — des traces du fait que les particules s'évitent mutuellement. Une telle plateforme pourrait devenir la base de simulateurs quantiques, où la lumière modélise le comportement de matériaux complexes, et de nouveaux types de calcul quantique.
L'idée de faire se comporter la lumière comme un solide n'est pas nouvelle, mais auparavant elle nécessitait des résonateurs encombrants. Ici, tout se passe en géométrie propagative : la lumière n'est pas enfermée dans une boîte, mais se déplace le long d'une ligne, comme l'eau dans une gouttière. Et si la gouttière est bien conçue, l'eau se met soudain à couler non pas en un flot continu, mais en « portions » distinctes qui se bousculent.
Le gaz de Tonks-Girardeau a été prédit dans les années 1960 et réalisé pour la première fois en 2004 avec des atomes ultra-froids. Aujourd'hui, on veut le créer à partir de photons dans des puces supraconductrices — à des températures des centaines de fois inférieures à la température ambiante.
Dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », la lumière est utilisée pour créer des environnements de calcul à topologie exotique — une idée qui fait écho aux tentatives de donner aux photons de fortes corrélations.