Under krigen gikk Hole sammen med Harald Wergeland som hadde tidligere studert og arbeidet med professor Leif Tronstad i Trondheim, inn i illegalt arbeid mot den tyske okkupasjonsmakten. Gjennom sitt arbeid med produksjon av tungtvann ved Norsk Hydros anlegg på Vemork, var Tronstad klar over dets betydning for utvikling av en mulig tysk atombombe. Da han måtte rømme til Sverige og videre til England i 1941, hadde han gjort det mulig for Hole å arbeide ved Manne Siegbahns institutt i Stockholm. Der arbeidet under krigen den tyske fysiker Lise Meitner som vel to år tidligere hadde vært med på å oppdage kjernefysisk fisjon som gjorde atomvåpen mulig. Wergeland skulle utføre tilsvarende arbeid her i landet.