La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique. Ce rayonnement coordonné est appelé superradiance. Il est difficile à obtenir : les atomes doivent être très proches les uns des autres pour ressentir la présence de leurs voisins.
Dans cette nouvelle étude, les physiciens ont utilisé une minuscule cellule de verre d'un millimètre de long, remplie de vapeur de césium chaude. Les atomes dans la vapeur se déplacent de manière chaotique, mais à haute densité, la distance entre eux devient inférieure à la longueur d'onde de la lumière émise. Les atomes commencent alors à agir comme un ensemble unique. Les scientifiques les ont fait émettre non pas des photons individuels, mais des paires de photons intriqués — ce qui est nécessaire pour la communication et le calcul quantiques.
Le résultat s'est manifesté dans la forme temporelle du signal : le pic des paires de photons s'est resserré de 0,60 à 0,17 nanoseconde. Ce raccourcissement marqué est une preuve directe que les atomes ont émis non pas individuellement, mais collectivement. De plus, le taux de paires enregistrées a dépassé un million par seconde, et les coïncidences aléatoires étaient rares — seulement une sur 280 événements.
Ces travaux montrent que la superradiance peut être obtenue dans un dispositif simple et peu coûteux — une cellule de verre remplie de vapeur, plutôt que dans une installation complexe avec des atomes ultra-froids. La vapeur de césium chaude, connue pour les horloges atomiques, s'est avérée être une scène pratique pour un chœur quantique. Peut-être que bientôt, de telles cellules deviendront des sources de lumière quantique dans les laboratoires ordinaires.
La cellule mesure un millimètre de long, soit environ l'épaisseur de dix cheveux humains alignés.
Dans la série « The Expanse », la communication quantique fonctionne grâce à des paires de photons intriqués — une telle source pourrait être à bord du « Roci ».