Selon la théorie quantique, l'écoulement du temps lui-même pourrait exister dans un état de superposition quantique, « s'écoulant » simultanément à un rythme plus rapide et plus lent. Cette hypothèse, longtemps restée théorique, pourrait désormais être vérifiée expérimentalement grâce aux technologies avancées des horloges atomiques. Des chercheurs du Stevens Institute of Technology aux États-Unis ont publié leurs résultats dans la revue Physical Review Letters le 20.

En relativité, chaque horloge possède son propre « temps propre », dont l'écoulement dépend de la vitesse et de la position. Ce type d'effet a déjà été vérifié par des horloges atomiques ultra-précises. Cependant, il existe une version plus contre-intuitive, le « paradoxe des jumeaux quantique » : une horloge pourrait-elle, dans un état de superposition quantique, vivre simultanément deux écoulements temporels différents, étant ainsi à la fois « plus jeune » et « plus vieille » ?

Selon la théorie proposée il y a plus de dix ans par Pikovski et ses collaborateurs, une telle situation est possible dans le cadre quantique. Jusqu'à présent, cet effet extrêmement subtil restait difficile à observer expérimentalement.

Les nouvelles recherches montrent qu'avec l'amélioration constante de la précision des horloges atomiques, cet effet, longtemps resté théorique, entre progressivement dans une plage détectable. Dans l'expérience, les chercheurs ont piégé un seul ion (comme un ion d'aluminium ou d'ytterbium), l'ont refroidi jusqu'à une température proche du zéro absolu, puis ont utilisé des impulsions laser pour contrôler précisément son état quantique. Les résultats montrent qu'en combinant la technologie des horloges atomiques avec l'information quantique utilisée pour le calcul quantique des ions piégés, il est possible d'observer des propriétés quantiques du temps jamais détectées auparavant.

Même à une température de zéro absolu, les fluctuations quantiques affectent la cadence de l'horloge. De plus, en construisant un état dit « comprimé », qui permet de réguler directement le vide quantique, la position et la vitesse de l'horloge peuvent présenter une corrélation quantique particulière, provoquant ainsi une superposition et un enchevêtrement de l'écoulement du temps. Autrement dit, une horloge non seulement peut « accélérer » et « ralentir » simultanément, mais aussi s'enchevêtrer quantiquement avec son mouvement « comprimé ».