世界最高精度・高精度の原子時計が物理学の新境地を拓く

July, 9, 2024, Gathersburg--人類が完璧さを追い求める中で、科学者たちはこれまでに作られたどの時計よりも精密で正確な原子時計を開発した。この新しい時計は、米国国立標準技術研究所(NIST)とコロラド大学ボルダー校の共同機関であるJILAの研究者によって製造された。

広大な宇宙空間でのピンポイントナビゲーションや、新しい粒子の探索を可能にするこの時計は、単なる計時を超えた最新の時計である。精度の向上により、これらの次世代のタイムキーパーは、隠された地下の鉱床を明らかにし、一般相対性理論などの基礎理論を前例のない厳密さで検証することができる。原子時計の設計者にとって、それは単により良い時計を作ることではない。それは、宇宙の秘密を解き明かし、次の世代のためにわれわれの世界を形作る技術への道を開くことである。

世界の科学界では、この次世代光原子時計をベースとして、第2の時間単位である国際時間を再定義することを検討している。既存世代の原子時計は、原子にマイクロ波を当てて秒を計測する。この新しい時計の波は、はるかに高い周波数を持つ可視光波で原子を照らし、秒をより正確に数える。現在のマイクロ波時計と比較して、光時計は国際計時においてはるかに高い精度を提供することが期待されており、300億年に1秒しか失われない可能性がある。

しかし、これらの原子時計がこれほど高い精度で動作するためには、非常に高い精度が必要になる。言い換えれば、それらは非常に小さな秒のほんの一部を測定できなければならない。高精度と高い確度の両立は、大きな意味を持つ。

時間に囚われて
新しいJILA時計は、「光格子」と呼ばれる光の網を使用して、数万個の個々の原子を同時に捕捉して測定する。このような大きなアンサンブルを持つことは、精度において大きな利点をもたらす。測定される原子の数が多いほど、秒の正確な測定を行うためのデータがクロックに多くなる。

新記録破りの性能を達成するために、JILAの研究者は、従来の光格子時計と比較して、より浅く穏やかなレーザ光の「ウェブ」を使用して原子を捕捉した。これにより、原子を捕捉するレーザ光線の影響と、原子が密集しすぎた場合に原子が互いにぶつかるという2つの主要な誤差源が大幅に減少した。

研究チームは、Physical Review Letters誌でその進歩について説明している。

最小スケールでの相対性理論のクロッキング
「この時計は非常に正確で、一般相対性理論などの理論によって予測される微小な効果を、ミクロのスケールでも検出できる。計時の可能性の限界を押し広げているのである」と、NISTとJILAの物理学者、Jun Yeはコメントしている。

一般相対性理論は、重力が空間と時間の歪みによってどのように引き起こされるかを説明するアインシュタインの理論。一般相対性理論の重要な予測の1つは、時間自体が重力の影響を受けるというもので、重力場が強いほど、時間の経過が遅くなる。

この新しい時計設計により、人間の髪の毛1本ほどの太さのサブミリスケールで、計時に対する相対論的効果を検出することができる。そのわずかな距離で時計を上げたり下げたりするだけで、研究者が重力の影響によって引き起こされる時間の流れの小さな変化を識別するのに十分である。

このように一般相対性理論の効果をミクロなスケールで観測できることは、ミクロな量子領域と一般相対性理論が記述する大規模現象とのギャップを埋めることに大きく貢献する。

宇宙と量子の進歩をナビゲート
また、原子時計の精度が向上するれば、宇宙での航行や探査もより正確になる。人類が太陽系の奥深くに進出するにつれて、時計は広大な距離にわたって正確な時間を保つ必要がある。計時の小さなエラーでさえ、遠くまで移動するにつれて指数関数的に増加するナビゲーションエラーにつながる可能性がある。

“火星にピンポイントの精度で宇宙船を着陸させたいのであれば、現在のGPSよりも桁違いに正確な時計が必要になる。この新しい時計は、それを可能にするための大きな一歩である」(Ye)。

原子を捕捉して制御するのと同じ方法も、量子コンピューティングのブレークスルーを生み出す可能性がある。量子コンピュータは、個々の原子や分子の内部特性を精密に操作して計算を行う必要がある。微視的な量子系の制御と測定の進歩は、この試みを大きく前進させた。

量子力学と一般相対性理論が交差するミクロの領域に踏み込むことで、研究者たちは現実そのものの根本的な性質について、新たなレベルの理解への扉を開けようとしている。重力によって時間の流れが歪む極小のスケールから、暗黒物質や暗黒エネルギーが支配する広大な宇宙のフロンティアまで、この時計の絶妙な精度は、宇宙の最も深い謎のいくつかを照らし出すことを約束する。

「われわれは計測科学のフロンティアを探求している。ここまでの精度で測定できるようになると、今まで理論化でしか見えてこなかった現象が見えくる」とYeは話している。