原子時計

典型的な市販のセシウムビーム周波数基準の簡略化されたブロック図
NISTの物理学者スティーブ・ジェファーツ氏（手前）とトム・ヒーブナー氏、そして米国の民間時間標準であるNIST-F2セシウム泉原子時計
ワシントンD.C.にある米国海軍天文台のマス​​ター原子時計アンサンブル。米国国防総省の時刻標準を提供している。[ 1 ]背景のラックマウント型ユニットはHP 5071Aセシウムビーム時計である。手前の黒いユニットはシグマ・タウMHM-2010水素メーザー標準器である。

原子時計は、原子の共鳴周波数を監視することで時間を計測する時計です。原子は量子化されたエネルギー準位を持ち、それらの準位間の遷移は電磁放射の非常に特定の周波数によって駆動されるという事実に基づいています。この現象は、 SI法における秒の定義の基礎となっています。

2番目の記号sはSI単位系における時間である。これは、セシウム133原子の非摂動基底状態超微細遷移周波数であるセシウム周波数の固定数値を次のように定義される。ΔνCs{\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}9 192 631 770を Hz の単位で表すと、 s −1に等しくなります。

この定義は、世界中の原子時計の集合体によって維持されているTAIシステムの基盤となっています。常用時刻の基盤であるUTCシステムでは、地球の自転の1秒以内の誤差を保つために、うるう秒が導入されています。

原子時計の正確な計時機能は、EUのガリレオ計画や米国のGPSなどの衛星ネットワークによる航法にも利用されています。原子時計の計時精度は重要です。なぜなら、1ナノ秒（10 -9秒）の計時誤差でさえ、光速に換算すると約30cmの位置誤差に相当するからです。

現在使用されている原子時計の主流は、絶対零度近くまで冷却されたセシウム原子（またはイオン）を用いている。例えば、米国の主要標準であるNISTセシウム原子時計（NIST-F2）は、相対不確かさが10-16程度である。[ 2 ] [ 3 ]

最近の進歩

2025年7月、米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者らは、トラップされたアルミニウムイオンを基盤とした記録的な光原子時計を報告した。この「量子論理」時計は、約19桁の精度に相当する系統的不確かさを達成し、従来の記録から41%の改善、そして他のイオン時計よりも2.6倍の安定性を実現した。[ 4 ] [ 5 ]

秒の再定義

光原子時計の性能が急速に向上したことから、世界中の時間と周波数のコミュニティはSI秒の再定義の可能性に備え始めました。[ 6 ] 2025年6月には、6カ国にわたる光時計の国際比較が協調的に行われたことが報告され、世界的な光時間標準の確立に向けた大きな一歩となりました。[ 7 ]

技術的影響

光原子時計は、超高精度の時間と周波数の配信、改良された全地球航法衛星システム、相対論的測地学（クロックレートによる重力ポテンシャルの差の測定）、基本定数と一般相対性理論の検証など、新たな用途を可能にしています。[ 8 ]

歴史

1955年、イギリス西ロンドンの国立物理学研究所で、世界初のセシウム133原子時計の隣に立つルイス・エッセン（右）とジャック・パリー（左）。

スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、 1873年の『電気と磁気の論文』の中で、光波の振動で時間を計測することを提案した。「波長が長さの単位である特定の種類の光の振動の周期時間を取ることで、より普遍的な時間単位を見つけることができるかもしれない。」[ 9 ] [ 10 ]マクスウェルは、これが地球の自転よりも正確であると主張した。地球の自転は、時間を計測するための平均太陽秒を定義している。[ 11 ]

1930年代、アメリカの物理学者イシドール・アイザック・ラビは原子ビーム磁気共鳴周波数時計用の装置を製作した。[ 12 ] [ 13 ]

機械式、電気機械式、クォーツ式の時計の精度は温度変動によって低下します。そのため、ジェームズ・クラーク・マクスウェル、ケルビン卿、イジドール・ラビによって、原子の振動周波数を測定することでより正確な時間を計るというアイデアが生まれました。[ 14 ]アンモニア分子の相転移を測定するプロトタイプは1949年に開発されました。[ 15 ]セシウム原子を用いた最初の実用的な原子時計は、 1955年に英国国立物理学研究所でルイス・エッセンとジャック・パリーの共同研究によって製作されました。 [ 16 ] [ 17 ]

1975年のセシウム原子時計（上部）とバッテリーバックアップ（下部）[ 19 ]

1949年、アルフレッド・カスラーとジャン・ブロッセル[ 20 ]は、光を用いて原子内の電子エネルギー準位遷移を光ポンピングする技術を開発しました。この技術は、より強力な磁気共鳴信号やマイクロ波吸収信号を生成するのに有用です。しかしながら、この技術は共鳴周波数の光シフトという副作用を引き起こしました。クロード・コーエン＝タヌージらは、この光シフトを許容レベルまで低減することに成功しました。

ラムゼーは、振動場におけるより高い周波数とより狭い共鳴領域を対象とする、現在ではラムゼー干渉法として知られる手法を開発した。コルスキー、フィップス、ラムゼー、シルズビーは1950年にこの手法を分子線分光法に応用した。[ 21 ]

1956年以降、原子時計は、アメリカの国立標準技術研究所（NIST、旧国立標準局）、ドイツの物理工学連邦研究所（PTB）、カナダの国立研究会議（NRC）、イギリスの国立物理学研究所、パリ天文台の国際時間局（フランス語：Bureau International de l'Heure、略称BIH）、イギリス国立ラジオ社、ボマック社、バリアン社、ヒューレット・パッカード社、周波数＆時間システムズ社など、多くの団体によって研究されました。[ 22 ]

1950年代、ナショナル・ラジオ・カンパニーは世界初の原子時計「アトマイケルン」を50台以上販売した。[ 23 ] 1964年、ヒューレット・パッカードのエンジニアはセシウム原子時計のラックマウントモデル5060を発売した。[ 14 ]

2番目の定義

1968年にSIは1秒の長さを次のように定義しました。セシウム133原子の非摂動基底状態超微細遷移周波数の9 192 631 770振動。それ以前は、1900年の熱度暦では、 31,556,925,9747秒でした。[ 24 ] 1997年に国際度量衡委員会（CIPM）は、前述の定義は絶対零度で静止しているセシウム原子を指すと付け加えました。[ 25 ] :113 2019年のSI改訂以降、モルを除くすべての基本単位とほぼすべての派生単位の定義は、秒の定義に依存しています。

時計研究者たちは、さらに安定した秒の基準となる原子時計を探しており、2030年頃には光時計やリュードベリ定数に基づいた原子時計の改良によって、より正確な秒の定義を見つけることを計画している。 [ 26 ] [ 27 ]

計測技術の進歩と光時計

光子を使って時間を正確に測定するイッテルビウム格子時計

1990年代のレーザーや光周波数コムなどの技術開発により、原子時計の精度が向上しました。 [ 28 ] [ 29 ]レーザーは、マイクロ波よりもはるかに高い周波数を持つ原子の状態遷移を光範囲で制御する可能性を可能にします。一方、光周波数コムは、光のそのような高周波振動を非常に正確に測定します。

セシウム時計の精度を超える最初の進歩は、2010年にNISTでアルミニウムイオンを使用して1.5秒の精度を達成した「量子論理」光時計の実証によって達成されました。10 −17。[ 30 ]光時計は計量学の分野で非常に活発な研究分野であり、科学者たちはイッテルビウム、水銀、アルミニウム、ストロンチウムといった元素をベースにした時計の開発に取り組んでいる。JILAの科学者たちは、10 −17 という周波数精度を持つストロンチウム時計を実証した。2015年には10 −18 であった。 [ 31 ] NISTの科学者は、2019年に単一のアルミニウムイオンを周波数不確かさで測定する量子論理時計を開発した。9.4 × 10 −19 . [ 32 ] [ 33 ]

2021年9月のJILAで、科学者らは差分周波数精度の光ストロンチウム時計を実証した。7.6 × 10 −21離れた原子集団間の1 mmである。[ 34 ] [ 35 ]秒は、光時計の分野が成熟した2030年か2034年頃に再定義されると予想されている。[ 36 ]これが起こるためには、光時計は一貫して1 mm以上の精度で周波数を測定できなければならない。2 × 10 −18。さらに、世界中の国立計量研究所で異なる光時計を信頼性を持って比較する方法が実証され、その比較では相対的なクロック周波数精度が2 × 10 −18 以上であることが示されなければならない。5 × 10 −18。

チップスケール原子時計

NISTの次世代小型原子時計（高い「光」周波数で時を刻む）の心臓部は、チップ上のこの蒸気セルです。大きさを示すためにコーヒー豆の隣に示されています

測地学やGPSナビゲーションに光時計を利用するには、そのサイズと消費電力を削減する必要がある。2004年8月、NISTの科学者たちは、通常の原子時計の100分の1の大きさで、消費電力もはるかに少ないチップスケールの原子時計を実証した。125  mW [ 37 ] [ 38 ]原子時計は米粒ほどの大きさで、周波数は約9 GHzでした。この技術は2011年に商業的に利用可能になりました。[ 37 ]

原子時計で時間を計測する

時計の仕組み

原子時計は、2つの可能なエネルギー状態のいずれかをとる原子のシステムに基づいています。ある状態の原子群を準備し、マイクロ波を照射します。照射の周波数が適切であれば、多数の原子が他のエネルギー状態に移行します。周波数が原子の固有振動周波数に近いほど、より多くの原子が状態を切り替えます。このような相関関係により、マイクロ波放射の周波数を非常に正確に調整できます。マイクロ波放射を、最大数の原子が状態を切り替える既知の周波数に調整すると、原子、およびそれに関連する遷移周波数は、経過時間を測定するための計時発振器として使用できます。[ 39 ]

あらゆる計時装置は、日時計における地球の自転、柱時計における振り子の振動、時計におけるバネや歯車の振動、水晶時計における電圧変化など、振動現象を利用して正確に時間を計測します。しかし、これらはすべて温度変化の影響を受けやすく、精度はそれほど高くありません。最も正確な時計は、原子の振動を利用して時間を計測します。原子内の時計の遷移状態は温度やその他の環境要因の影響を受けにくく、振動周波数は他のどの時計よりもはるかに高くなります（マイクロ波周波数領域以上）。

時計の性能を左右する最も重要な要素の一つは、原子線品質係数（Q）です。これは、共鳴の絶対周波数と共鳴自体の線幅の比として定義されます。原子共鳴は機械式デバイスよりもはるかに高いQ値を持ちます。また、原子時計は環境の影響をはるかに高いレベルで遮断できます。原子時計の利点は、原子が普遍的であるため、発振周波数も普遍的であるということです。これは、普遍的な周波数を持たない水晶や機械式時間計測装置とは異なります。 ν0{\displaystyle \nu_{0}}Δν{\displaystyle \Delta \nu}

時計の品質は、精度と安定性という2つのパラメータによって規定されます。精度とは、時計の刻み速度が、孤立した原子やイオンの固有の超微細周波数といった絶対的な基準にどの程度一致すると期待できるかを示す指標です。安定性とは、ノイズやその他の短期的な変動の影響を低減するために、時計が時間平均でどの程度の性能を発揮するかを表します（精度参照）。[ 40 ]

原子時計の不安定性はアラン偏差 によって規定される。[ 41 ]原子またはイオンの計数統計による限界不安定性は次のように与えられる。 σy（τ）{\displaystyle \sigma _{y}(\tau )}

σy、アトオムス（τ）≈Δνν0NTcτ、{\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )\approx {\frac {\Delta \nu }{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}},}

ここで、 はクロックシステムの分光線幅、は1回の測定で使用される原子またはイオンの数、は1サイクルに必要な時間、 は平均化周期です。これは、線幅が狭く、（信号対雑音比）が大きいほど不安定性が小さくなることを意味します。測定値の平均化時間が数秒から数時間、さらに数日と長くなるにつれて、安定性は向上します。安定性は発振器周波数に最も大きく影響されます。これが、ストロンチウム時計（429テラヘルツ）などの光時計がセシウム時計（9.19GHz）よりもはるかに安定している理由です。 Δν{\displaystyle \Delta \nu}N{\displaystyle N}Tc{\displaystyle T_{\text{c}}}τ{\displaystyle \tau}Δν{\displaystyle \Delta \nu}N{\displaystyle {\sqrt {N}}}τ{\displaystyle \tau}ν0{\displaystyle \nu_{0}}

原子泉や光格子といった、逐次的な検査を行う現代の原子時計は、原子やイオンの計数に固有の不安定性を模倣し、さらに不安定性を増加させるノイズを生成することが分かっています。この効果はディック効果[ 42 ]と呼ばれ、新しい原子時計の安定性を主に制限する要因となっています。これはエイリアシング効果であり、局部発振器（LO）の高周波ノイズ成分は、LO周波数に対するフィードバック感度の繰り返し変動の高調波によって、ほぼゼロ周波数にヘテロダイン化されます。この効果により、LOには新たな厳しい要件が課せられ、高い安定性に加えて低い位相ノイズも必要となり、システムのコストと複雑さが増大します。フリッカー周波数ノイズ[ 43 ]を持つLOの場合、はに依存しない場合、検査時間は、デューティファクタの典型的な値は、アラン偏差は次のように近似できます[ 44 ]。σyLO（τ）{\displaystyle \sigma_{y}^{\rm{LO}}(\tau)}τ{\displaystyle \tau}Ti{\displaystyle T_{i}}d＝Ti/Tc{\displaystyle d=T_{i}/T_{c}}0.4<d<0.7{\displaystyle 0.4<d<0.7}

σy、Dick（τ）≈σyLO2ln⁡（2）⋅|sin⁡（πd）πd|⋅Tcτ。{\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {Dick}}}(\tau )\approx {\frac {\sigma _{y}^{\rm {LO}}}{\sqrt {2\ln(2)}}}\cdot \left|{\frac {\sin(\pi d)}{\pi d}}\right|\cdot {\sqrt {\frac {T_{c}}{\tau }}}.}

この式は と同様に への依存性を示しており、多くの新しい時計では が著しく大きくなっています。 光標準に適用された 効果とその帰結の分析は、「ディック効果の有害な影響」を嘆く主要なレビュー（Ludlow, et al., 2015）[ 45 ]やその他いくつかの論文で取り上げられています。[ 46 ] [ 47 ]Tc/τ{\displaystyle T_{c}/{\tau }}σy,atoms(τ){\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )}

チューニングと最適化

原子時計の中心部には、ガスを封入したマイクロ波空洞が設けられています。水素メーザー時計では、ガスが超微細遷移によってマイクロ波を放射（メーザー化）します。空洞内の磁場が振動すると、空洞はマイクロ波の振幅が最大になるように調整されます。

この調整は、他の電子遷移による周波数、温度変化、ドップラー広がりを含む分子の振動によって引き起こされる周波数の広がりなどの望ましくない副作用を修正しようとするものである。[ 48 ]

トラップイオン時計やファウンテン時計などのマイクロ波時計や格子時計などの光時計を含む多くの新しい時計は、周波数変調照会ではなく順次照会プロトコルを使用しています。[ 45 ]順次照会の利点は、リンギング時間がミリ秒ではなく秒であるため、はるかに高い Q に対応できることです。また、これらの時計には通常デッドタイムがあり、その間に原子またはイオンの集合が分析され、更新され、適切な量子状態に駆動され、その後、局部発振器(LO)からの信号でおそらく 1 秒程度の期間照会されます。原子の最終状態の分析を使用して、LO 周波数を原子またはイオンの周波数にロックするための補正信号が生成されます。

精度

NISTによる原子時計の歴史的精度

原子時計の精度は、1950年代の最初の試作機以来、継続的に向上してきました。第一世代の原子時計は、セシウム、ルビジウム、水素原子の測定に基づいていました。1959年から1998年にかけて、NISTは、NBS-1からNBS-6、そしてNIST-7と名付けられた7つのセシウム133マイクロ波時計を開発しました。これは、NISTが国立標準局から国立標準技術研究所に名称を変更した後に開発されました。[ 14 ]最初の時計の精度は10 −11、そして最後の時計の精度は10 −15 。これらの時計は、ジェロッド・ザカリアスが導入したセシウムの泉と、デイブ・ワインランドとその同僚が1978年に実証した原子のレーザー冷却を採用した最初の時計でした。

原子時計の進歩の次のステップは、10 −15の精度10 −18とさらに10 −19。[ a ]目標は、時計の精度が宇宙の年齢で1秒以上の誤差が生じないほど高くなったときに、秒を再定義することです。[ b ]そのためには、科学者はストロンチウムとイッテルビウム、そして光格子技術を用いた時計の精度を実証する必要があります。このような時計は光時計とも呼ばれ、エネルギー準位の遷移が光学領域で行われるため（より高い振動周波数が生じる）、従来の原子時計に比べてはるかに高い精度を備えています。[ 50 ]

原子時計の目標は10の-16乗の精度は、英国国立物理学研究所のNPL-CsF2セシウム泉時計[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]と米国のNIST-F2で初めて達成されました。[ 54 ] [ 55 ] NIST-F1からNIST-F2への精度の向上は、マイクロ波相互作用領域の液体窒素冷却によるものです。NIST-F1における最大の不確実性の原因は、暖かいチャンバー壁からの黒体放射の影響です。 [ 56 ] [ 3 ]

国際原子時（TAI）に貢献する一次および二次周波数標準器の性能が評価されます。個々の（主に一次）時計の評価報告書は、国際度量衡局（BIPM）によって オンラインで公開されています。

原子時計の比較

時間基準

原子時計は、パリ天文台、ドイツの物理工学連邦研究所（PTB）、米国コロラド州とメリーランド州の国立標準技術研究所（NIST） 、コロラド大学ボルダー校のJILA、英国の国立物理学研究所（NPL） 、全ロシア物理工学・無線技術計量科学研究所など、多くの国立計量研究所で維持されています。これらの研究所では、セシウム133の遷移周波数との関係が既知の周波数で電気振動を生成する周波数標準を設計・構築することで、非常に低い不確かさを実現しています。これらの一次周波数標準は、原子の運動に関連する相対論的ドップラーシフト、環境の熱放射（黒体シフト）、その他いくつかの要因を含むさまざまな周波数シフトを推定および補正します。現在、最も優れた一次標準は、SI秒を1/4の不確かさに近い精度で生成します。10 16 .

この精度レベルでは、装置内の重力場の差を無視できないことに注意することが重要です。この基準は、一般相対性理論の枠組みの中で検討され、特定の時点における正確な時刻を提供します。[ 57 ]

国際原子時（TAI）や協定世界時（UTC）といった原子時計の標準は、衛星航法システム、電波による時刻信号、ネットワークベースの時刻サービスを通じて一般に公開されています。公式の時刻管理機関のウェブサイトに加え、ユーザーがローカルコンピュータシステムで報告された時刻と、国立標準技術研究所（NIST）が運営する国立計量標準機関の時刻サーバーから取得したUTCを比較できる、公開されている参照ツールも存在します。これらのツールは、エンドユーザーデバイスの時刻偏差や同期の不一致を観察するために使用できます。[ 58 ] [ 59 ]

国際度量衡局（BIPM）は、秒の二次的表現として用いられる周波数のリストを提供しています。このリストには、ルビジウムマイクロ波遷移およびその他の光学遷移（中性原子および単一トラップイオンを含む）の周波数値とそれぞれの標準不確かさが含まれています。これらの二次周波数標準は、1/4の精度で測定できます。10 18 ; しかし、リストの不確実性は、10 14 –10 16 。これは、二次標準物質の校正に用いられる中央セシウム標準物質の不確かさが、10 14 –10 16 .

一次周波数標準器は、国立研究所で使用されている他の時計の周波数を較正するために使用できます。これらは通常、市販のセシウム時計で、非常に優れた長期周波数安定性を持ち、1/4以下の安定性を維持します。数ヶ月で10 14になる。一次標準周波数の不確かさは約1/10である。10 13 .

水素メーザーは、原子水素の1.4GHzの超微細遷移を利用し、時間計測研究室でも使用されています。メーザーは、短期的な周波数安定性において、市販のセシウム時計よりも優れています。これまで、これらの機器は、1日未満の期間にわたって安定した基準を必要とするあらゆる用途に使用されてきました（数時間の平均化時間で約10分の1の周波数安定性）。一部のアクティブ水素メーザーは、時間とともにわずかながらも予測可能な周波数ドリフトを示すため、国際原子時（BIPM）を実装する市販時計群の重要な一部となっています。[ 57 ]

衛星との同期

BIPMが稼働している計量研究所で運用される時計の時刻は非常に正確に把握されている必要があります。業務によっては、数千キロメートル以上離れた原子時計の同期が必要になります。全地球航法衛星システム（GNSS）は、時刻転送の問題に対する満足のいく解決策を提供します。原子時計は、米国の全地球測位システム（GPS）、ロシア連邦の全地球航法衛星システム（GLONASS）、欧州連合のガリレオシステム、中国の北斗システム で時刻信号を放送するために使用されています

正確な位置情報を持つ受信機を備えた計量研究所で、1つの衛星からの信号を受信することで、15分間の平均で数ナノ秒の不確かさで、現地の時刻スケールとGNSSシステムの時刻との差を判定できます。受信機は複数の衛星からの信号を同時に受信し、2つの周波数で送信される信号を利用します。より多くの衛星が打ち上げられ、運用を開始するにつれて、時間測定の精度は向上していくでしょう。

これらの時間比較方法では、特殊相対性理論と一般相対性理論による数ナノ秒の 影響を補正する必要があります。

2015年6月、英国テディントンの国立物理学研究所（NPL）、フランスのパリ天文台の時空間基準システム部門（LNE-SYRTE）、ドイツのブラウンシュヴァイクにあるドイツ国立計量標準研究所（PTB）、イタリアのトリノにある国立計量研究所（INRiM）の研究所は、衛星の比較精度を10倍向上させるためのテストを開始しましたが、まだ1つの部分に限られています。1 × 10 16。これら4つのヨーロッパの研究所は、さまざまな実験装置でさまざまな要素を利用したさまざまな実験用光時計を開発・運用しており、それらの光時計を互いに比較して一致するかどうかを確認したいと考えています。[ 60 ]

国際計時

国際原子時（TAI）を定義する世界中の原子時計を表すデータポイント

国立研究所では通常、複数の原子時計が運用されています。これらの時計は互いに独立して運用されており、それらの測定値を組み合わせることで、個々の時計よりも安定かつ高精度な目盛りが生成されることがあります。この目盛りにより、研究所内の異なる時計間の時間比較が可能になります。これらの原子時間目盛りは、一般にTA(k)（実験室k）と呼ばれます。[ 61 ]

協定世界時（UTC）は、世界中の国立研究所の時計を国際原子時（TAI）と比較し、必要に応じて閏秒を追加することで得られる。TAIは約80の時刻機関にある約450個の時計の加重平均である。[ 62 ] TAIの相対的な安定性は約1分の1である。10 16 .

TAIが公表される前に、得られた周波数は、様々な一次および二次周波数標準におけるSI秒と比較されます。このため、一次標準の位置に対して、等重力ポテンシャルと地球の回転ジオイドとの距離に依存する相対論的補正を適用する必要があります。回転ジオイドとTAIの値は毎月わずかに変化し、BIPM Circular T出版物に掲載されています。TAIの時間スケールは、世界中の原子時計の平均値を計算するため、数週間延期されます。

TAIは日常の計時では使用されません。その代わりに、地球の自転を補正するために、整数の閏秒を加算または減算することでUTCを生成します。閏秒の数は、本初子午線（グリニッジ）における平均太陽正午がUTC正午から0.9秒以上ずれないように調整されます。

各国の計量標準機関は、UTCの近似値であるUTC(k)を研究所kに対して保持しています。UTC(k)は、BIPMの時間と周波数に関する諮問委員会によって配布されます。UTC-UTC(k)間のオフセットは5日ごとに計算され、結果は毎月公表されます。原子時計はUTC(k)を100ナノ秒以下の精度で記録します。一部の国では、UTC(k)はラジオ、テレビ、電話、インターネット、光ファイバーケーブル、時報送信機、音声時計によって配布される法定時刻です。さらに、GNSSは数十ナノ秒以下の精度の時刻情報を提供します。

光ファイバー

次の段階では、これらの研究所は、光ファイバーケーブルを介して可視スペクトルの比較信号を伝送することを目指しています。これにより、実験用光時計を、光時計自体の期待精度と同様の精度で比較できるようになります。これらの研究所のいくつかはすでに光ファイバーリンクを確立しており、パリとテディントン間、およびパリとブラウンシュヴァイク間の区間でテストが開始されています。実験用光時計間の光ファイバーリンクは、コロラド州ボルダーにあるアメリカのNIST研究所とそのパートナー研究所JILA間にも存在しますが、これらはヨーロッパのネットワークよりもはるかに短い距離であり、わずか2つの研究所間です。PTBの物理学者であるフリッツ・リーレ氏によると、「ヨーロッパは世界最高の時計が高密度に存在するという点で、ユニークな立場にあります」。[ 60 ]

2016年8月、パリのフランスのLNE-SYRTEとブラウンシュヴァイクのドイツのPTBは、パリとブラウンシュヴァイクの2つの完全に独立した実験用ストロンチウム格子光時計の不確かさの比較と一致を報告した。パリとブラウンシュヴァイクを結ぶ新設の位相コヒーレント周波数リンク（1,415  km (879  mi )の通信光ファイバーケーブルを使用）を介して、 5 × 10 −17 の不確かさが測定された。リンク全体の分数不確かさは2.5 × 10 −19となり、さらに正確な時計の比較が可能になります。[ 63 ] [ 64 ]

2021年、NISTは、コロラド州ボルダーにあるNIST研究所、そのパートナー研究所JILA、コロラド大学に約1.5  km（1 マイル）離れた一連の実験用原子時計からの信号の伝送を、空気と光ファイバーケーブルを介して、100万分の1の精度で比較しました。8 × 10 −18 . [ 65 ] [ 66 ]

マイクロ波原子時計

セシウム

SI秒は、セシウム133原子の一定数の摂動を受けない基底状態超微細遷移として定義されます。したがって、セシウム標準は主要な時間と周波数の標準とみなされています

セシウム時計には、 1999年に開発されたNIST-F1時計と、2013年に開発されたNIST-F2時計がある。 [ 67 ] [ 68 ]

セシウムには、原子時計に適した特性がいくつかあります。水素原子は室温で1,600 m/s、窒素原子は510 m/sで運動しますが、セシウム原子は質量が大きいため、130 m/sとはるかに遅い速度で運動します。[ 69 ] [ 14 ]セシウムの超微細周波数（約9.19 GHz）は、ルビジウム（約6.8 GHz）や水素（約1.4 GHz）などの他の元素よりも高いです。[ 14 ]セシウムの高い周波数により、より正確な測定が可能になります。国家標準に適したセシウム基準管は現在、約7年間持続し、約35,000米ドルかかります。米国時間標準原子時計であるNIST-F1やNIST-F2のような主要な周波数および時間標準は、はるかに高い電力を使用します。[ 38 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]

ブロック図

セシウムビーム周波数基準では、タイミング信号は、狭い範囲で調整可能な高安定電圧制御水晶発振器（VCXO）から生成されます。VCXOの出力周波数（通常5MHz）は、周波数シンセサイザーによって逓倍され、セシウム原子の超微細遷移の周波数（約9 192 .6317 MHz）。周波数シンセサイザーの出力は増幅され、マイクロ波を吸収するセシウムガスを封入したチャンバーに印加されます。セシウムチャンバーの出力電流は、吸収が増加するにつれて増加します。

回路の残りの部分は、VCXOの動作周波数を調整してセシウムチャンバーの出力電流を最大化し、発振器を超微細遷移の共振周波数に同調させます。 [ 73 ]

ルビジウム

ルビジウム時計を携えたアメリカ空軍の飛行士チーム

BIPMは、ルビジウム87原子の非摂動基底状態超微細遷移周波数を、セシウム標準周波数で6 834 682 610.904 312 6 Hzと定義しています。したがって、ルビジウム標準に基づく原子時計は、秒の二次的な表現とみなされます

ルビジウム原子時計の利点は、低コスト、小型（商用標準は1.7 × 10 5  mm 3 ) [ 37 ]という高い精度と短期安定性を誇ります。これらの標準管は、多くの商用、携帯用、航空宇宙用途で使用されています。現代のルビジウム標準管は10年以上の寿命があり、価格はわずか50ドルです。一部の商用アプリケーションでは、 GPS受信機（ GPS基準発振器を参照）によって定期的に補正されたルビジウム標準器が使用されています。これにより、優れた短期精度が達成され、長期精度は米国の国家標準時刻と同等（かつトレーサブル）です。[ 74 ]

水素

水素メーザー

BIPMは、水素-1中性原子の非摂動光遷移周波数をセシウム標準周波数で1 233 030 706 593 514 Hzと定義しています。したがって、水素標準に基づく原子時計は、秒の二次的な表現とみなされます

水素メーザーは他の標準器と比較して短期安定性に優れていますが、長期精度は低くなります。水素メーザー標準器の長期安定性は、空洞特性の経時変化により低下します。水素メーザーの相対誤差は、1000秒周期で5 × 10 −16です。このため、水素メーザーは電波天文学、特に超長基線干渉計に適しています。[ 10 ]

水素メーザーは、レーザー冷却原子周波数標準器や国家標準研究所からの放送用時刻信号のフライホイール発振器として用いられていますが、時間の経過とともに正しい周波数からずれるため、補正が必要です。また、水素メーザーは、重力赤方偏移など、特殊相対性理論や一般相対性理論の影響を実験的に検証するのにも有用です。[ 10 ]

他の種類の原子時計

核時計のコンセプト

原子時計の性能を向上させる理論的な可能性の一つは、現在の原子時計が測定している原子電子遷移ではなく、（異なる核異性体間の）核エネルギー遷移を利用することである。ほとんどの核遷移は測定するには高すぎる周波数で動作するが、229mThは紫外線周波数範囲の「ガンマ線」を生成します。2003年、Ekkehard PeikとChristian Tamm [ 75 ]は、これが現在の光周波数測定技術で時計を可能にすることを指摘しました。2012年には、単一の229Th3+イオンは、合計分数周波数誤差をもたらす可能性がある1.5 × 10 −19であり、これは2019年の既存の光原子時計技術よりも優れていた。[ 76 ]精密な時計は理論上は実現不可能であるが、2010年代を通して遷移エネルギーを測定する努力[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]は、2024年に十分な精度で光周波数を測定することに成功した（2 020 407 384 335 ± 2 kHz =2.020 407 384 335 (2) × 10 15  Hz [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]）により、実験的な光核時計が構築できるようになりました。[ 85 ]

中性ではあるが229mTh原子は内部転換によってマイクロ秒単位で崩壊するが、[ 86 ]この経路はエネルギー的に禁止されている229mTh+イオンは、2番目以降のイオン化エネルギーが原子核の励起エネルギーよりも大きいため、229mTh+イオンの半減期は長く、10 3 秒である。[ 82 ]遷移周波数と異性体寿命の比率が大きいため、この時計は高い品質係数を持つ。[ 76 ]

原子力エネルギーへの移行は次のような潜在的な利点をもたらす。[ 87 ]

  1. より高い周波数。他の条件が同じであれば、単純な統計的理由（変動がより多くのサイクルにわたって平均化される）により、遷移の周波数が高いほど安定性が高まります。
  2. 環境の影響に対する鈍感さ。原子核はサイズが小さく、周囲の電子による遮蔽効果があるため、軌道上の電子よりも周囲の電磁場の影響を受けにくい。
  3. より多くの原子。前述のように周囲の磁場の影響を受けないため、希薄ガス中で時計原子を十分に分離する必要はありません。現在の測定ではメスバウアー効果を利用し、トリウムイオンを固体中に置くことで、数十億個の原子を調べることができます。

2番目の可能性を再定義する

2022年には、IT-CsF2、NIST-F2、NPL-CsF2、PTB-CSF2、SU-CsFO2、SYRTE-FO2といったセシウム一次標準時計によって、この秒の最高の実現が達成されました。これらの時計は、磁気光学トラップ内でセシウム原子の雲をマイクロケルビンまでレーザー冷却することで動作します。冷却された原子はレーザー光によって垂直に打ち上げられます。そして、原子はマイクロ波共振器内でラムゼー励起を受けます。励起された原子の割合はレーザー光によって検出されます。これらの時計は、系統的不確かさは5 × 10 −16で、これは1日あたり50ピコ秒に相当します。世界中の複数の時計台からなるシステムが国際原子時に貢献しています。これらのセシウム時計は、光周波数測定の基盤にもなっています。

光時計の利点は、不安定性 （は不安定性、f は周波数、S / Nは信号対雑音比）によって説明できます。このことから、次式が導かれます。 σ∝Δff1S/N{\displaystyle \sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}}σ{\displaystyle \sigma }σ(τ)=12πfNTintτ{\displaystyle \sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}}

光時計は、イオンや原子における禁制光遷移に基づいており、その周波数は10 15  Hz、自然線幅は通常1 Hzなので、Q値は約Δf{\displaystyle \Delta f}10 15、あるいはそれ以上の精度で動作します。マイクロ波時計よりも安定性が高く、より低い不確かさの評価を容易にします。また、時間分解能も優れているため、時計の「時」が速くなります。[ 88 ]光時計は、単一のイオン、または光格子を用いています。10 4 –10 6個の原子。

リュードベリ定数

リュードベリ定数に基づく定義では、値を特定の値に固定する必要があります。リュードベリ定数は、 非相対論的近似を用いて水素原子のエネルギー準位を記述しますR∞=mee48ε02h3c=mecα22h{\displaystyle R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h}}}En≈−R∞chn2{\displaystyle E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}}

リュードベリ定数を固定する唯一の現実的な方法は、水素を捕捉して冷却することです。しかし残念ながら、これは困難です。水素は非常に軽く、原子は非常に速く運動するため、ドップラーシフトが生じるからです。水素を冷却するために必要な放射線は――121.5 nmの波長も困難です。もう一つのハードルは、量子電磁力学/QED計算における不確実性の改善です。[ 89 ]

単位諮問委員会第25回会合報告書（2021年）[ 90 ]では、 2026年、2030年、または2034年頃に秒を再定義するための3つの選択肢が検討された。検討された最初の再定義アプローチは、単一の原子参照遷移に基づく定義であった。検討された2番目の再定義アプローチは、周波数の集合に基づく定義であった。検討された3番目の再定義アプローチは、リュードベリ定数を定義の基礎とするなど、基本定数の数値を固定することに基づく定義であった。委員会は、秒を定数で実現することを可能にするのに十分な桁数の物理定数が現在知られていないため、3番目の選択肢で秒を再定義する実行可能な方法はないと結論付けた。

要件

再定義には、光クロックの信頼性の向上が含まれなければなりません。BIPMが再定義を承認する前に、TAIは光クロックによって実現されなければなりません。秒が再定義される前に、光ファイバーなどの一貫した信号送信方法を開発する必要があります。 [ 89 ]

2番目の二次表現

SIセシウム標準以外の秒の表現は、他の原子時計の精度向上を背景としています。特に、光時計の高周波と狭い線幅は、信号対雑音比と不安定性の大幅な改善を期待できます。さらなる二次的な表現は、将来の秒の再定義の準備に役立つでしょう。[ 91 ]

秒の二次表示として推奨される周波数のリストは、国際度量衡局（BIPM）によって2006年から維持されており、オンラインで公開されています。このリストには、ルビジウムマイクロ波遷移といくつかの光遷移の周波数値とそれぞれの標準不確かさが含まれています。これらの二次周波数標準は、10レベルの精度を備えています。−18 ; ただし、リストに記載されている不確実性は10−14～10−15である。これは、現在（2018年）2番目を定義しているセシウム一次標準とのリンクによって制限されているためである。 [ 57 ]

種類 動作周波数（Hz） 相対アラン偏差（一般的な時計） 参照
133 Cs 定義により9.192 631 770 × 10 910 −13[ 92 ]
87 Rb6.834 682 610 904 324 × 10 910 −12[ 93 ]
1時間1.420 405 751 7667 × 10 910 −15[ 94 ] [ 95 ]
光時計（87 Sr） 4.292 280 042 298 734 × 10 1410 −17[ 96 ]
光時計 ( 27 Al + ) 1.121 015 393 207 859 16 × 10 1510 −18[ 97 ] [ 98 ]
光時計（171 Yb +、642 THz） 6.421 214 967 726 4512 × 10 1410 −18[ 99 ] [ 100 ]
光時計（171 Yb +、688 THz） 6.883 589 793 093 0824 × 10 1410 −16[ 101 ] [ 102 ]

セシウムを使わない二次的な秒の表現を提供する21世紀の実験用原子時計は、非常に高精度になっており、周波数と時間の測定以外にも、極めて高感度な検出器として利用される可能性が高まっています。例えば、原子時計の周波数は、重力、磁場、電場、力、運動、温度などの現象によってわずかに変化します。実験用原子時計は改良が続けられており、性能におけるリーダーシップは様々なタイプの実験用原子時計の間で入れ替わっています。[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ]

応用

原子時計とGPSにおけるその利用、ビル・ハマック著

原子時計の開発は、高精度な地球規模および地域規模の衛星航法システムや、周波数と時刻の標準に大きく依存するインターネットへの応用など、多くの科学技術の進歩をもたらしました。原子時計は、時刻信号無線送信所に設置されています。[ 107 ]一部の長波・中波放送局では、非常に高精度な搬送周波数を提供するために原子時計が使用されています。[ 108 ]原子時計は、電波天文学における長基線干渉法など、多くの科学分野で使用されています。[ 109 ]

アメリカ宇宙軍が運用する全地球測位システム（GPS）は、非常に正確なタイミングと周波数信号を提供します。GPS受信機は、最低4基、通常はそれ以上のGPS衛星からの信号の相対的な時間遅延を測定することで動作します。各GPS衛星には、少なくとも2基のセシウム原子時計と最大2基のルビジウム原子時計が搭載されています。相対時間は数学的に3つの絶対空間座標と1つの絶対時間座標に変換されます。[ 110 ] GPS時間（GPST）は連続した時間スケールであり、理論上は約14ナノ秒の精度です。[ 111 ]しかし、ほとんどの受信機は信号の解釈において精度を失い、100ナノ秒の精度しかありません。[ 112 ] [ 113 ]

GPST は TAI (国際原子時) や UTC (協定世界時) と関連がありますが、異なります。GPST は TAI から一定のオフセット (TAI – GPST = 19 秒) を維持しており、TAI と同様にうるう秒を実施していません。衛星に搭載された時計は定期的に修正され、地上時計との同期が保たれています。[ 114 ] [ 115 ] GPS ナビゲーション メッセージには、GPST と UTC の差が含まれています。2015 年 7 月現在、2015 年 6 月 30 日に UTC に追加されたうるう秒により、GPST は UTC より 17 秒進んでいます。[ 116 ] [ 117 ]受信機は GPS 時間からこのオフセットを差し引いて UTC を計算します。

ロシア航空宇宙防衛軍が運用するGLONASS（グローバル航法衛星システム）は、全地球測位システム（GPS）に代わるシステムであり、世界をカバーし、同等の精度を持つ2番目の航法システムです。GLONASS時刻（GLONASSST）はGLONASS中央同期装置によって生成され、通常1,000ナノ秒以上の精度です。[ 118 ] GPSとは異なり、GLONASSの時刻スケールはUTCと同様にうるう秒を採用しています。[ 119 ]

ESAガリレオ衛星搭載タイミングシステムのマスタークロックとして使用される宇宙受動水素メーザー

ガリレオ全地球航法衛星システムは、欧州GNSS機関と欧州宇宙機関によって運用されている。ガリレオは2016年12月15日に全地球的な早期運用能力（EOC）の提供を開始し、3番目で初の非軍事運用の全地球航法衛星システムとなった。[ 120 ] [ 121 ]ガリレオシステムタイム（GST）は、イタリアのフチーノにあるガリレオコントロールセンターの地上で、精密タイミング施設によって異なる原子時計の平均に基づいて生成され、ガリレオ中央セグメントによって維持され、50ナノ秒未満の公称オフセットでTAIと同期された連続時間スケールである。[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 121 ]欧州GNSS機関によると、ガリレオは30ナノ秒のタイミング精度を提供している。[ 125 ]

欧州GNSSサービスセンターによる2018年3月の四半期業績報告書では、UTC時刻配信サービスの精度は過去12か月間のサンプルを蓄積して計算された≤ 7.6ナノ秒であり、≤ 30ナノ秒の目標を超えたと報告されています。[ 126 ] [ 127 ]各ガリレオ衛星には、オンボードタイミング用のパッシブ水素メーザー2台とルビジウム原子時計2台が搭載されています。[ 128 ] [ 129 ]

ガリレオのナビゲーションメッセージには、相互運用性を促進するため、GST、UTC、GPSTの差異が含まれています。[ 130 ] [ 131 ] 2021年夏、欧州連合は、2023年から運用を開始する第2世代ガリレオ衛星にパッシブ水素メーザーを採用することを決定しました。メーザーの寿命は衛星1基あたり12年と想定されています。メーザーの長さは約2フィート（約60cm）、重さは40ポンド（約18kg）です。[ 132 ]

北斗2号/北斗3号衛星航法システムは、中国国家航天局によって運用されている。北斗時間（BDT）は、2006年1月1日午前0時0分0秒UTCから始まる連続的な時間スケールであり、100ナノ秒以内にUTCと同期される。[ 133 ] [ 134 ]北斗は2011年12月に中国で運用を開始し、10基の衛星が使用されている。[ 135 ]そして、2012年12月にアジア太平洋地域の顧客へのサービス提供を開始した。[ 136 ] 2018年12月27日、北斗航法衛星システムは、20ナノ秒のタイミング精度が報告されているグローバルサービスの提供を開始した。[ 137 ]全世界をカバーする最後の35基目の北斗3号衛星は、2020年6月23日に軌道に乗せられた。[ 138 ]

実験用宇宙時計

2015年4月、NASAは、小型で超高精度の水銀イオン原子時計である深宇宙原子時計（DSAC）を宇宙空間に配備する計画を発表しました。NASAは、DSACは他の航行用時計よりもはるかに安定していると述べています。 [ 139 ]この時計は2019年6月25日に打ち上げられ、[ 140 ] 2019年8月23日に起動し、 [ 141 ] 2年後の2021年9月18日に停止しました。[ 142 ]

軍事利用

2022年、DARPAは、センサーがGPS衛星にアクセスできない場合でも、時間の経過とともに精度を向上させるために、米国軍の計時システムをアップグレードする取り組みを発表しました。計画では、1/4の精度を達成することを目指しています10 12 . ロバスト光時計ネットワークは、4年間の開発期間を経て、使いやすさと精度のバランスがとれるようになります。[ 143 ] [ 144 ]

時刻信号ラジオ送信機

電波時計は、無線受信機で受信した無線時刻信号によって自動的に同期する時計です。メーカーによっては、受信する無線信号が原子時計に由来するため、電波時計を原子時計と呼んでいる場合もあります[ 145 ]。振幅変調された時刻信号を利用する通常の低価格な民生用受信機の実用精度の不確かさは±0.1秒です。これは多くの民生用アプリケーションには十分な値です[ 145 ] 。計器用時刻受信機はより高い精度を提供します。電波時計は、無線送信機からの距離が300キロメートル（186マイル）ごとに約1ミリ秒の伝搬遅延を生じます 。多くの政府が計時目的で送信機を運用しています[ 146 ] 。

一般相対性理論

一般相対性理論は、重力場の深いところでは時計の針が遅くなることを予測しており、この重力赤方偏移効果は十分に文書化されています。原子時計は、より小さなスケールで一般相対性理論を検証するのに効果的です。1999年11月11日から2014年10月まで12台の原子時計を観測するプロジェクトにより、アインシュタインの一般相対性理論が小さなスケールでも正確であることがさらに実証されました。[ 147 ]

2021年、 JILAの科学者チームは、 100ナノケルビンまで冷却されたストロンチウム光時計を用いて、1ミリメートル離れた2つの原子層間の重力赤方偏移による時間経過の差を、100ナノケルビンの精度で測定した。7.6 × 10 −21秒です。[ 148 ]原子時計の量子的な性質と時間は相対論的な量であるという事実を考えると、原子時計は時間が一般相対論と量子力学によって同時にどのように影響を受けるかを見るのに使うことができます。[ 149 ] [ 150 ]

金融システム

原子時計は、特に高頻度取引において、買い手と売り手の間の取引をミリ秒単位、あるいはそれ以上の精度で正確に記録します。[ 151 ] [ 152 ]正確な時間管理は、違法取引を事前に防止するだけでなく、地球の反対側のトレーダーへの公平性を確保するためにも必要です。2018年現在、 NTPとして知られる当時のシステムは、ミリ秒単位の精度しかありません。[ 153 ]

持ち運び可能な光時計

最も高精度な光時計の多くは大型で、大規模な計測研究所でしか利用できません。そのため、GPS精度の測定に原子時計が使えるような、スペースが限られた工場やその他の産業環境では、光時計はすぐには役に立ちません。

研究者たちは、エアコン付きのトレーラーカーで移動できるストロンチウム光格子時計を設計した。彼らは、相対不確かさを静止したものと比較して7.4 × 10 −17である。 [ 154 ]

メーカー

UTCの追跡に使用されている原子時計のメーカーには、マイクロチップ、T4サイエンス、アンリツ、マイクロセミ、HPなどがあります。[ 155 ]

参照

解説

  1. ウィスコンシン大学マディソン校の研究者たちは、3000億年経っても1秒も遅れない時計を実証しました。 [ 49 ]
  2. ^宇宙の年齢である138億年のうち1秒は、2.3 × 10 −18。

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