光格子時計

光格子時計とは

光格子時計は、光格子と呼ばれる特殊な環境を利用した原子時計の一種です。従来の原子時計よりも格段に高い精度を持つことから、次世代の標準時計として世界中で研究開発が進められています。

原理

光格子時計では、ストロンチウム原子が光格子の中に閉じ込められ、全ての原子で同時に時間を計測します。これは、東京大学の香取秀俊教授によって2001年に提唱された理論に基づいています。香取教授は2014年に、驚異的な精度18桁の光格子時計の開発に成功しました。これは、従来のセシウム原子時計の約1000倍の精度に相当し、1秒のずれが生じるまでに300億年以上かかるという計算になります。ストロンチウム原子の特定の遷移における固有周波数は、429 228 004 229 872.99 Hzという極めて高い値で安定しています。

応用

光格子時計の Potentials は非常に広範です。

高度計・重力ポテンシャル計として: 人が歩く程度の速さや、わずか1 cmの高低差による重力の違いから生じる時間の遅れを検出できるため、高度計や重力ポテンシャル計として活用できます。これにより、火山噴火や津波の予知など、防災への貢献が期待されています。
新たな測地技術として: 従来の衛星測位システムに代わる、より高精度な測地技術への応用が期待されています。
標準時の生成: 情報通信研究機構は2022年に、世界で初めて光格子時計を用いた標準時の生成に成功しました。標準時システムに光格子時計を導入することで、協定世界時（UTC）との時刻同期精度が大幅に向上しました（±20ナノ秒以内から±5ナノ秒以内）。
秒の定義の変更: 2030年までに予定されている「秒」の定義変更において、光格子時計は有力な候補となっています。
一般相対性理論の実証: 2020年には、東京スカイツリーの地上階と展望台（高さ450 m）に光格子時計を設置し、時間の流れの差を観測する実験が行われました。その結果、0.000 000 000 005 %というわずかなずれが検出され、一般相対性理論が示す「重力源の近くでは時間の流れが遅くなる」という現象が実証されました。

評価

光格子時計の開発における功績は高く評価されており、香取秀俊教授は2022年に本田賞を受賞しています。

まとめ

光格子時計は、その驚異的な精度と多様な応用可能性から、科学技術の発展に大きく貢献することが期待されています。今後の研究開発によって、私たちの社会基盤を支える重要な技術となるでしょう。

参考資料

世界初、装置容量２５０リットルの小型・堅牢な超高精度光格子時計の開発に成功 ～光格子時計の社会基盤実装へ大きく前進～
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20241121/pdf/20241121.pdf

関連項目

ラム–ディッケ領域
シュタルク効果

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