研究者たちは3つの原子時計をリンクさせ、それが時間計測の未来を変えるかもしれない

巨大な振り子時計は毎月約1分遅れたり進んだりするが、デジタル時計のクオーツは数秒以内の誤差にとどまる。しかし、最先端の計時技術に取り組む科学者たちは、数十億年かけて1秒も狂わない時計機構の微調整に取り組んでいる。

すでに非常に正確な時計をわざわざ改良するのは些細なことのように思えるかもしれないが、科学のいくつかの分野では極めて重要である。時計の精度が上がれば、相対性理論や暗黒物質を測定する研究者の能力を微調整できる。また、地球そのものを測定する科学である測地学にも役立ち、地球の重力、表面、海底をセンチメートル単位の精度で地図化できる。また、GPS などのシステムはタイミング信号に依存しているため、新世代のナビゲーション技術の扉を​​開くことができるかもしれない。

その理由の1つは、より正確な時計を作ることで、科学者が時間の基本単位である秒をより正確に定義できるようになるからです。SI標準単位のほとんどは2019年に再定義されましたが、秒はその中に含まれていませんでした。実際、秒の定義は1967年以来変わっていません。

しかし現在、コロラド州ボルダーの数十人の研究者がボルダー原子時計光ネットワーク (BACON) で協力し、新しい定義の作成に向けた重要な一歩として、世界で最も正確な時計 3 つを接続することに成功しました。異なる時計をリンクすることで、研究者はすべての時計が確実に時間を刻んでいるかどうかを確認できます。

そして、それが実現できれば、この新しい、より正確なタイプの時計が秒を再定義する道が開かれる。最近Natureに発表された BACON の測定結果は、地球の公式時計が現在使用している超高精度の原子時計よりも約 100 倍正確である。

今日、私たちは原子、ほとんどの場合はセシウム 133 で秒を定義しています。特に、電子がエネルギー レベルをシフトするときに吸収および放出される光子の周波数に注目します。セシウム 133 原子では、これはマイクロ波です。これらのマイクロ波の周期 (波のピーク間の時間) を使用して時間を計ることができます。つまり、これらの周期のちょうど 9,192,631,770 が 1 秒を構成します。

それはすごいように聞こえるし、実際そうだが、これは冷戦時代の技術だ。BACON やその他のプロジェクトでは、光に依存する光時計と呼ばれる、はるかに新しいタイプの原子時計を研究している。光はマイクロ波よりも周波数が高く、周期が短いため、その光を使用してはるかに正確なタイミングを得ることができる。

最新のセシウム時計は、10億分の1秒の100万分の1秒以内の精度を誇る。光時計が本当に未来の時計であることを示すには、科学者たちは光時計がセシウムマイクロ波の先行時計よりも100倍も正確であることを必要としており、この新しい研究でそのベンチマークが達成された。

しかし、すべての光時計が同じ原子を使用しているわけではないため、時刻を一致させるには世界中のさまざまな時計も必要です。これは簡単なことではありません。時計自体の動作が異なるだけでなく、相対性の影響も現れます。地球の重力によって生じる微妙な時間の遅れにより、異なる高度にある原子時計は異なる速度で進みます。

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コロラド州ボルダーは、少なくとも 3 つの光時計が設置されているため、光時計をリンクさせるには絶好の場所です。2 つは NIST 研究所にあり、3 つ目は約 0.9 マイル (1.5 キロメートル) 離れたコロラド大学ボルダー校の JILA にあります。3 つの時計はすべて異なる原子で動作しており、JILA ではストロンチウム 87、NIST ではアルミニウム 27 イオンとイッテルビウム 171 です。

2 つのサイトの間にはすでに 1 つのリンクがありました。「ボルダー市の地下を実際に走る光ファイバー ケーブルがあり、JILA の時計と NIST の時計を接続できるのは幸運です」と、コロラド大学ボルダー校と NIST の研究者であるホリー レオパルディは言います。これは、科学者が求める精度で光時計を接続する確立された方法です。たとえば、研究者はヨーロッパ中の時計を接続する光ファイバー ネットワークを構築しました。

「しかし、気付いていないうちに何か問題が潜んでいるかもしれない、などと常に心配しています」とNISTの研究者であるデイビッド・ヒューム氏は言う。「そのため、このネットワークには可能な限りの冗長性を持たせたいと考えました。」

それを念頭に、研究者たちは地上に2つ目のリンクを作りました。彼らは、NISTビルの最上部と大学キャンパス内の11階建てのガモフタワーの最上部の間にレーザーパルスを発射するシステムを構築しました。

BACON の研究者たちは、クロックの周波数の比率を 2 つの異なる方法で測定し、クロックとリンクの両方が信頼できるかどうかを確認できるようになりました。どちらの数値も、彼らが求めていた超高精度の範囲内に収まりました。

「重なり合う測定ができなかった日がありましたが、それは吹雪のせいでした」とヒューム氏は言う。「雪のせいでレーザー光を送ることができず、反対側で十分な信号を得ることができませんでした。」

毎秒何十億もの時間を計ろうとすると、ケーブルでの信号損失や大気の乱れといったごく小さな要因でも脈拍が狂ってしまう可能性がある。研究者たちは、リンクや測定システムが誤差を加えていないか繰り返し確認する必要があった。

「フリースペースシステムの本当に素晴らしい点は、大気中のノイズと乱気流をすべて測定でき、それを補正できる点です」とレオパルディ氏は言う。

科学者たちは最終的に、この技術を使って、たとえば米国の光時計をヨーロッパや東アジアの光時​​計にリンクするグローバル ネットワークを構築したいと考えています。現時点では実現できません (長距離では誤差が大きすぎるため)。しかし科学者たちは、たとえば BACON の自由空間リンクの成果を活用した衛星ネットワークをすぐに構築したいと考えています。

「私たち全員が協力し、集まって実際にこの測定を実行し、協力してこれらの結果を得ることができたのは本当に素晴らしいことだと思います」とレオパルディ氏は言います。