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光格子時計を利用した高精度な時刻標準の生成に成功 ~近未来,時刻は電気信号から光へと進化する~

 国立研究開発法人 情報通信研究機構(NICT)は2018年3月15日,NICT電磁波研究所 時空標準研究室が,光格子時計と水素メーザ原子時計を組み合わせた「光・マイクロ波ハイブリッド方式」を新たに開発し,光格子時計に基づく高精度な時刻信号の発生を半年間継続させることに成功したと発表した.本成果は,英国のオープンアクセス科学誌Scientific Reportsにオンライン掲載された(注).

 各国の標準時は,BIPM(Bureau International des Poids et Mesures, 国際度量衡局)が生成する協定世界時を参照し,これと同期する形で生成・維持されている.NICTが生成する日本標準時は,協定世界時に対して常時ほぼ5,000万分の1秒(20ns)以内の時刻差を維持している.時間間隔の精度維持は現象解析に欠かせない.1秒の長さは,セシウム(Cs)原子のマイクロ波遷移の周波数を9,192,631,770Hzとすることで決まり,現在,世界最高精度のCs時計は,正確な1秒間を±1.1×10-16秒の精度で実現している.

 一方で,2001年に東京大学から提案された光格子時計では,レーザー光を干渉させて作った微小空間にレーザー冷却された原子を捕獲し,これらの原子が吸収する光の振動周波数から1秒の長さを決める.NICT開発のストロンチウム(Sr)光格子時計は,Cs時計を超える5×10-17の精度を保っており,この精度を時刻維持に利用することが期待される.しかし,装置が複雑な光時計は,長期にわたり無人で動作して時刻を示し続けることは難しかった.

 今回NICTは,Sr光格子時計と従来のマイクロ波時計で無人運転可能な水素メーザ原子時計を組み合わせた「光・マイクロ波ハイブリッド方式」を新たに開発し,光格子時計による時刻系信号を世界で初めて半年にわたって生成することに成功した.本方式では,水素メーザを無人運転し,光格子時計を1週間に1度3時間だけ有人運転して,水素メーザが刻む1秒が現在どれだけずれているかを測定する.さらに,過去25日間に計測されたデータを基にその後1週間の周波数変化を予測して,それを打ち消す調整を予めすることで,光格子時計を基準とした極めて安定な時刻信号を生成することができた.

 「光・マイクロ波ハイブリッド方式」で生成した時刻信号は,世界の標準時である協定世界時よりも正確であり,BIPMが世界中の原子時計データを利用して計算する最高精度の仮想時刻と比べて,ずれは半年で僅か12億分の1秒以下(0.79ns)であった.また,現在の日本標準時よりも1桁高い精度で時刻を生成できることが確認され,将来,秒の定義がCs時計から光格子時計に変更されても,新しい光による定義に基づいて時刻を維持できることが示された.

近年,光周波数標準の進展は目覚ましく,国際度量衡委員会 時間周波数諮問委員会では2026年に秒の定義を原子の光領域にある遷移周波数に変更することを検討している.光時計によって協定世界時を校正することは,秒の再定義のための必須条件であり,今回の成果は,この条件をクリアする有力な方法になる.今後NICTは,この「光・マイクロ波ハイブリッド方式」の日本標準時への適用を目指し,実用化のプロセスを一歩一歩進めていく,としている.

(注)Hidekazu Hachisu, Fumimaru Nakagawa, Yuko Hanado, and Tetsuya Ido, "Months-long real-time generation of a time scale based on an optical clock", Scientific Reports, Vol.8, Article number: 4243 (2018), doi: 10.1038/s41598-018-22423-5; Published online: 09 March 2018