東大・理研・島津製作所など、18桁の精度をもつ可搬型光格子時計の開発に成功

発表日:2020年4月7日

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～

1.発表者:

高本 将男（理化学研究所 開拓研究本部 香取量子計測研究室 専任研究員/理化学研究所 光量子工学研究センター 時空間エンジニアリング研究チーム専任研究員）

牛島 一朗（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 助教）

大前 宣昭（理化学研究所 開拓研究本部 香取量子計測研究室 研究員/理化学研究所 光量子工学研究センター 時空間エンジニアリング研究チーム研究員）

矢萩 智裕（国土交通省 国土地理院 企画部 測量指導課長）

小門 研亮（国土交通省 国土地理院 地理地殻活動研究センター 宇宙測地研究室主任研究官）

真貝 寿明（大阪工業大学 情報科学部 教授）

香取 秀俊（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 教授/理化学研究所 光量子工学研究センター 時空間エンジニアリング研究チーム チームリーダー/理化学研究所 開拓研究本部 香取量子計測研究室 主任研究員）

2.発表のポイント

◆18桁の精度（百億年に一秒のずれに相当）をもつ可搬型光格子時計の開発に世界で初めて成功した。

◆東京スカイツリーの地上階と展望台に設置した2台の可搬型光格子時計を使って重力赤方偏移を高精度に観測し、一般相対性理論を検証した。本研究で得られた検証精度は、従来、1万キロメートルの高低差を必要とした衛星を用いた実験に迫る。

◆高精度な可搬型光格子時計の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る。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。

3.発表概要:

理化学研究所の高本 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（理化学研究所 チームリーダー/主任研究員）らの共同研究グループは、島津製作所と共同で18桁精度の超高精度な可搬型光格子時計を開発しました。東京スカイツリーの地上階と地上450メートル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、この結果を国土地理院が測定した標高差と比較することで、一般相対性理論を従来の衛星を使った実験に迫る精度で検証することに成功しました。原子時計を人工衛星やロケットに搭載して、宇宙空間と地表の間で約1万キロメートルの高低差をつけることで測定された従来の宇宙実験に比べて、今回開発した可搬型光格子時計を使うことで、1万倍以上少ない高低差で、同等の実験が可能になりました。

一般相対論的効果の多くは「宇宙スケール」の現象として議論されてきましたが、18桁精度の原子時計では、わずか数センチメートルの「日常的なスケール」の高さの違いで時間の遅れが観測できます。この結果、従来の技術の範疇（注）では考えられることのなかった、新たな「相対論的センシング技術」が誕生します。これまで実験室環境で実証されてきた超高精度な光格子時計の小型化・可搬化と実験室外運転の実証は、この「相対論的センシング技術」の実用化に向けた大きな突破口です。

高精度な可搬型光格子時計は、プレート運動や火山活動などによる地殻の数センチメートル精度の上下変動の監視、GNSS（全球測位衛星システム）や高感度重力計と補完的に利用できる超高精度な標高差・重力場計測システムの確立など、将来の社会基盤への実装が期待されます。

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科研費特別推進研究(JP16H06284)および科学技術振興機構(JST)未来社会創造事業「クラウド光格子時計による時空間情報基盤の構築」(JPMJMI18A1)の一部支援を受けて行われました。

本研究成果は、2020年4月6日（英国時間）発行の英国科学誌「Nature Photonics」に掲載されます。

（注）これまで、最高性能のセシウム原子時計（16桁精度）を使っても、数日測定を続けてやっと10メートルの高低差による時間の遅れを観測できる程度でした。このため、相対論的効果で標高計測を行うことの（他の測量手法に対する）優位性を見出すことは困難でした。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0532327_02.pdf