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18桁精度の可搬型光格子時計の開発に世界で初めて成功 ~東京スカイツリーで一般相対性理論を検証~

 東京大学,国立研究開発法人理化学研究所(理研),国土交通省 国土地理院,株式会社島津製作所,東武タワースカイツリー株式会社,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年4月7日,理研の高本将男 専任研究員と東京大学大学院工学系研究科の香取秀俊 教授(理研チームリーダー/主任研究員)らの共同研究グループが,18桁精度の超高精度な可搬型光格子時計を開発し,東京スカイツリーの地上階と地上450mの展望台に設置した2台の時計の進み方の違いを測定し,国土地理院が測定した標高差と比較することで一般相対性理論の予測する標高差(重力差)による時間遅れを検証したと発表した.本研究は,JST未来社会創造事業等の支援を受けて実施され,本成果は英国の科学誌Nature Photonicsに掲載された(注).

 原子時計は,高精度に同期された時刻を必要とする高速大容量通信や衛星測位などの基幹技術である.現在,Cs原子時計によって国際単位系の1秒が16桁の精度で定義されている.この精度を100倍以上改善する光格子時計は次世代の「秒」の定義の有力候補である.光格子時計は,特別な波長のレーザー光を干渉させて作った微小空間(光格子)に,レーザー冷却された原子を捕獲させ,これらの原子が吸収するレーザー光の周波数を時間の標準とする.光格子時計のような高精度原子時計があれば,地上数cmの標高差による周波数の変化:「重力赤方偏移効果」の観測が可能になるが,光格子時計は実験室内のみで稼働できる複雑な装置であり,標高差の異なる2地点に設置して周波数を比較することは困難だった.

 本研究グループは,大型光学定盤上のレーザー装置や制御系をボックス化・小型化し(幅~0.6m),可搬型ストロンチウム(Sr)光格子時計を開発した.開発した可搬型光格子時計を東京スカイツリーの地上階と展望台の2か所に設置し,約450mの標高差を与えた.これらの2台の光格子時計の周波数差を1週間にわたって測定することで,展望台の時計が地上階よりもΔν=21.16Hzだけ周波数が変化し,相対周波数Δν/ν=(49,337.8±4.3)×10-18だけ高い(時間が1日に4ns(10億分の4秒)速く進んでいる)ことが計測された.

 一方,GNSS(全地球測位システム)測量,水準測量,レーザー測距などによる標高差測定と重力測定を組み合わせることで,2台の時計のおかれた地点間の重力ポテンシャル差は(49,337.1±1.4)×10-18と求まった.「重力の違いで時間の進み方が変わる」という一般相対性理論が検証された.

 高精度な可搬型光格子時計の開発・実験室外運転の実証は,光格子時計の社会実装に向けた大きな一歩であり,今後,プレート運動や火山活動などに伴う地殻変動の監視など相対論的センシング技術の実用化が期待される,としている.

(注)Masao Takamoto, Ichiro Ushijima, Noriaki Ohmae, Toshihiro Yahagi, Kensuke Kokado, Hisaaki Shinkai and Hidetoshi Katori, "Test of General Relativity by a Pair of Transportable Optical Lattice Clocks", Nature Photonics (2020), doi: 10.1038/s41566-020-0619-8; Published: 06 April 2020