光格子時計
英語：cryogenic optical lattice clock
複数本のレーザー光の干渉によって原子を閉じ込める領域を形成し、領域内に閉じ込められた多数の原子を同時計測して時を刻む、原子時計の一種。
光格子時計は約10のマイナス18乗の精度で時を観測することができる。東京大学大学院工学系研究科の香取秀俊教授によって開発された世界初の光格子時計は、ストロンチウム原子を用いて時間経過を計測している。
光格子時計の精度はセシウム原子時計の精度に基づく現行の「秒」の定義を更新する可能性があるとして、研究が進められている。また、光格子時計を測地技術に応用し、より精度の高い標高計測や地殻変動の観測を可能にする研究も進められている。
ひかりこうし‐どけい〔ひかりカウシ‐〕【光格子時‐計】
光格子時計
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2025/03/27 15:08 UTC 版)
光格子時計（ひかりこうしどけい、Optical Lattice Clock）とは、光格子を用いる原子時計である。従来の原子時計より正確な時計として開発が進められている。
原理
光格子時計において光格子の中に収めるのはストロンチウム原子であり、全ての原子で時間を同時に計測する。東京大学の香取秀俊は、2001年に光格子時計の理論を発表し、2014年に精度18桁の光格子時計を開発することに成功した。この精度はセシウム原子時計の1000倍にもなり、1秒狂うのに300億年以上かかる計算になる[1]。このストロンチウム原子の遷移の固有周波数は429 228 004 229 872.99 Hzである[2]。
利用
光格子時計を用いれば、人が歩く程度の速さや、わずか1 cmの高低差で生じる重力の違いによる時間の遅れを検出可能である。これにより、光格子時計は高度計や重力ポテンシャル計としての使用が可能となり、噴火や津波の予知に貢献できると考えられている[1]。また、衛星測位システムに代わる新たな測地技術にも貢献すると考えられている。2022年には、情報通信研究機構が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た。標準時システムに光格子時計を加えることで、協定世界時（UTC）との時刻同期精度が±20ナノ秒以内から±5ナノ秒以内に向上された、とされる[3]。2030年までに予定されている1秒の定義の変更でも、光格子時計は有力な新定義の候補となっている[2]。
2020年に東京スカイツリーの地上階と展望台（高さ450 m）にそれぞれ光格子時計を設置し、2点の時間の流れの差を観測する実験が行われ、0.000 000 000 005 %のずれが検出された[4]。これは、一般相対性理論で示されている「重力源の近くでは時間の流れが遅くなる」ことの実証である[5]。
2025年3月5日、島津製作所が製品としては世界初の光格子時計を1台5億円で発売開始。受注生産で納期は1年、国内外で3年間10台の受注を目指している[6]。
評価
脚注
- ^ a b 堀部直人. “時計の概念を巻き直す「光格子時計」 正確な時計の先に”. 東京大学. 2022年9月7日閲覧。
- ^ a b 情報通信研究機構. “世界初、国家標準時の維持に光格子時計を利用 〜NICTが持つ時計のみで協定世界時との同期が可能に〜”. 2022年9月7日閲覧。
- ^ 世界初、国家標準時の維持に光格子時計を利用～NICTが持つ時計のみで協定世界時との同期が可能に〜 - 情報通信研究機構(2022年6月9日、2023年5月26日閲覧）
- ^ Takamoto, M., Ushijima, I., Ohmae, N. et al. (2020). “Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks”. Nat. Photonics 14: 411–415. doi:10.1038/s41566-020-0619-8.
- ^ 小谷太郎「2030年、「単位」が変わる 「光格子時計」が1秒の定義を書き換えようとしている」『Newton』第44巻第7号、ニュートンプレス、2024年5月27日、49-50頁、ISSN 0286-0651、JAN 4910070470749。
- ^ 島津製作所が「ノーベル賞級」と豪語する新型時計、1台5億円で世界初の光格子時計を発売、2030年に再定義される次世代“秒”の有力候補か - 東洋経済ONLINE（2025年3月27日）
- ^ “本田賞 受賞者一覧”. 本田財団. 2022年10月17日閲覧。
- ^ “「光格子時計」発明の香取秀俊氏に本田賞 原子時計の1000倍の超高精度を実現”. サイエンスポータル. 2022年10月17日閲覧。
- ^ “科学技術分野における日本初の国際賞「2022年本田賞」 東京大学大学院工学系研究科 教授 香取秀俊博士が受賞”. PR Times. 2022年10月17日閲覧。
参考文献
- 『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～』（プレスリリース）科学技術振興機構 (JST)・東京大学・理化学研究所・株式会社島津製作所・日本電子株式会社、2024年11月21日。
関連項目
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光格子時計
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/07/07 05:33 UTC 版)
レーザーを使って原子を光格子に捕捉するアイデアはロシアの物理学者Vladilen Letokhovによって1960年台に提唱された。原子時計の脱進機のためのマイクロ波から光波（計測はより難しいが性能はより高い）までの波長域についての理論はジョン・ホールとテオドール・ヘンシュによって開拓され、2005年にノーベル物理学賞を受賞した。2012年にノーベル物理学賞を受賞したデービッド・ワインランドは高い安定性の時計を開発するための捕捉された単一イオンの性質を探求したパイオニアであった。最初の光時計はNISTのJun Ye, Andrew Ludlowによってストロンチウムを用いて2000年に開発が始められ、2006年に発表された。 フェムト秒周波数コムと光格子の開発は原子時計を新世代へと導いた。これらの時計はマイクロ波よりも可視光を放出する原子遷移に基づいている. 光時計の開発の主な障壁は光周波数の直接計測の困難さにある。この問題はフェムト秒周波数コムと呼ばれる自己参照型モード同期レーザーによって解消された, 2000年に周波数コムが開発される以前は、テラヘルツ技術が電波と光周波数のギャップを埋めるために必要とされていたが、そのシステムは煩雑なものだった。しかし、周波数コムが洗練されたことで、この計測の可用性は大幅に上がり、世界各地で数々の光時計が開発される道を開いた。 電波の波長域では、吸光分光法が発振器（この場合レーザー）を安定させるために用いられる。光の周波数がフェムト秒コムを用いて可算的な電波周波数に分割される際、位相ノイズの帯域幅も同じ因子によって分割される。レーザー位相ノイズの帯域幅は安定なマイクロ波源よりも一般的に大きいが、分割後にはより小さくなる 光周波数を用いた原子時計の主要な標準システムは以下のものがある: イオントラップ中に隔離された単一イオン; 光格子中に捕捉された中性原子 三次元量子気体の光格子中に充填された原子群 これらのテクニックは原子やイオンを外部の雪道から高度に隔離し、非常に安定な周波数基準を実現する。レーザーおよび磁気光学トラップを用いて原子を冷却することで、精度の向上が得られる。 捕捉原子の候補としては、Al+, Hg+/2+, Hg, Sr, Sr+/2+, In+/3+, Mg, Ca, Ca+, Yb+/2+/3+, Yb and Th+/3+.がある。原子時計の電磁放射線の色はシミュレートされた元素に依存する。例えば、カルシウム光時計は赤色光が産出された際に共鳴し、イッテルビウム光時計は紫色光で共鳴する。
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