科學研究 - 開發出300億年僅誤差1秒的光晶格鐘，構建網路將其打造為次世代社會基礎設施

時間的基本單位「秒」，原本根據地球自轉的時長來確定。如今，「秒」則以銫原子振動為基準得到精確定義。能夠生成精準時刻與頻率的原子鐘，已成為支撐高速大容量通信、人造衛星定位等現代社會運行的基幹技術。東京大學研究生院工學系研究科的香取秀俊教授開發出了能以高出銫原子鐘1000倍的精度測量時間的「光晶格鐘」。他正通過構建光晶格鐘網路並推動社會應用，使之成為新的社會基礎設施。

香取秀俊
東京大學研究生院工學系研究科教授
自2018年起擔任未來社會創造事業（大規模項目型）研發項目「利用雲光晶格鐘構建時空資訊基礎建設」的研發負責人

精密的時間測量是社會的基礎
打造支撐定位與通信的時鐘

在社會生活中，我們時時刻刻都在關注時間。搭乘交通工具、上課或參會、赴友人之約、預約就醫等，做任何事都離不開時間。

回溯歷史，最初「1秒」被定義為「一天長度的8萬6400分之1」。而作為其基準的一天長度，其依據則使用了地球的自轉週期與公轉週期。然而隨著科學進步，人們發現一天的長度存在誤差與偏移。為此，為了以更高精度定義「1秒」，1967年採用了基於銫原子的「秒」的新定義。

銫原子鐘以處於高度穩定狀態下的銫原子能量狀態略微提升時所需的微波頻率（振動頻率）為基準來界定1秒。銫原子鐘擁有能精確測量到小數點後15位的精度，3000萬年僅產生1秒的誤差。

相比之下，東京大學的香取秀俊教授開發出了能以高於銫原子鐘的精度測量時間的「光晶格鐘」。其精度達到小數點後18位，計算後300億年僅會偏移1秒。

話雖如此，為何需要以如此之高的精度來測量時間呢？

高精度時間測量技術已成為支撐高速大容量通信、人造衛星定位等現代社會運行的基礎設施的根基。香取教授解釋道：「回顧歷史，精密時鐘一直左右著航海、定位、通信等基礎技術的發展。」例如，利用銫原子鐘提供的精密時間資訊運行的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統），大幅改變了人們的生活、商業活動以及社會基礎設施的形態。

為盡快將最尖端的時間測量技術實用化並引入學術與產業領域，香取教授正在推進實現光晶格鐘小型化、輕量化及穩定運行的技術研究。通過將光晶格鐘以網路形式展開並實現社會應用，來構建新一代的超高精度時空資訊通用平台。

以逆向思維提出的新原理
將測量時間縮短至百萬分之一

香取教授發表光晶格鐘原理是在2001年。當時，被認為最有望替代銫原子鐘的新一代原子鐘，是將冷卻至接近絕對零度的單個離子捕獲於電極之間、重複100萬次測量後以18位精度測定振動頻率的「單離子光鐘」。

然而，業界認為，當時的單離子光鐘即便能實現，但要達到18位的精度也需耗時長達10天。回憶當時，香取教授表示：「我想到，能否不靠觀測1個離子10天（100萬秒）來取平均，而是通過同時觀測100萬個原子1秒鐘後取平均，從而實現18位的精度呢？」他構思出將電中性原子逐個禁錮於由被稱為「魔法波長」的特殊波長雷射所製成的、相當於微小容器的光晶格之中，並精密測量其振動頻率的光晶格鐘機制。原子則採用了冷卻至接近絕對零度的鍶。

香取教授在2001年的國際會議上發表這一設想時，當時被視作「Young man's game」（年輕人憑衝勁提出的不成熟構想），質疑其可行性的聲音不在少數。然而，在2003年他的基礎實驗取得了成功，表明了光晶格鐘的實現可能性。當時的光晶格鐘精度雖然在15位左右，但此後歷經十餘年的技術打磨，最終實現了作為目標的18位精度。

實現18位精度的時鐘後，香取教授最初著手的工作，是應用愛因斯坦廣義相對論進行高程差測量。廣義相對論將引力場表述為物質周圍產生的時空畸變，引力越強的地方時間流逝越慢。即便在地球上，海拔越低，重力越強，時間流逝比高海拔處更慢，但這種差異極其微小，此前的時鐘無法分辨出海拔不同所帶來的時間流逝差異。香取教授解釋道：「精度達到18位後，僅1cm的高程差，也能以原子振動頻率變化的形式檢測出來。」

為驗證這一點，2016年，研究團隊將設置於東京都文京區東京大學實驗室與埼玉縣和光市國立研究開發法人理化學研究所實驗室的光晶格鐘通過光纖連接，測量了振動頻率的變化，得到了直線距離約15km的兩地點高程差約為15m的結果。該數值與國土地理院的水準測量數據基本一致，僅有5cm誤差，凸顯了香取教授開發的光晶格鐘在時間測量上的高精度（圖1）。

圖1 在東京大學設置1臺、理化學研究所設置2臺低溫運行的鍶光晶格鐘，通過約30km的光纖連接直線距離約15km的東京大學與理化學研究所，測量振動頻率變化，清晰捕捉到了約15m的高程差。

與企業聯合開發可搬運型裝置
在東京晴空塔開展實證實驗

能以小數點後18位精度測量時間的光晶格鐘也有其弱點。初期的裝置規模龐大，足以佔滿約50平方公尺的實驗室，無法搬運。光晶格鐘若能實現小型化，便可使高精度時間測量技術獲得廣泛應用，不僅推動科技進步，還將對社會基礎設施與新技術革新產生重大影響。

為此，香取教授等人自2015年起著手裝置的小型化。光晶格鐘由置入鍶原子的真空腔、雷射裝置、光譜儀等多組裝置構成。真空腔與雷射裝置的小型化在香取教授的研究室成功完成，而雷射控制電路的小型化則尋求了島津製作所的協助。

島津製作所的技術人員根據香取教授的圖紙，搭建了可精密控制各種功能雷射的電路，試製了100餘枚電路板。2020年，在保持18位精度的同時，體積縮小至920升、約為傳統裝置20分之一的可搬運型光晶格鐘研製完成。

香取教授等人選擇東京晴空塔作為這款可搬運型光晶格鐘的實證場地。研究團隊在地面層與展望臺分別設置可搬運型光晶格鐘進行時間測量，結果發現，設置在距離地面層約450米高處展望臺的時鐘，每天比地面層的時鐘快十億分之四秒。這一結果與廣義相對論推導出的預測值吻合良好。根據兩臺時鐘走時快慢之差計算出地面層至展望臺的高度約為452.6米，與GNSS及國土地理院的測量結果幾乎一致（圖2）。

圖2 使用光晶格鐘，可在地表驗證廣義相對論所推導出的時間流逝快慢差異。在東京晴空塔的實驗中，觀測到地面層與展望臺的時鐘存在21.18Hz的振動頻率差，相當於約450米的高程差，與GNSS的測量結果一致。

據悉，本次研究獲得的驗證精度，已逼近以往利用地面與高度約1萬公裡的衛星所做實驗的精度。香取教授表示：「實現了光晶格鐘可搬運至任何地點設置後，便能與GNSS、水準測量等相媲美。」

此後，香取教授等致力於裝置的進一步小型化，於2024年11月發布了體積250升的新型光晶格鐘。該光晶格鐘將以往的4個裝置減少為3個，分別為含真空腔的物理模組、光諧振腔、雷射/控制系統，最終可被收納進2臺19英吋機架中（電子設備標準機架）。2025年，島津製作所開始接受小型光晶格鐘的訂單，向社會應用邁出了重要一步（圖3）。

圖3 島津製作所發售的鍶光晶格鐘「Aetherclock OC020」。裝置不僅實現了小型化，還搭載了自動調整至正確測量狀態的功能，使操作更便捷。

通過國際比對驗證精度
向「秒的重新定義」邁進

目前，「1秒」的定義仍然沿用1967年基於銫原子鐘制定的標準，但國際計量委員會下屬的時間頻率諮詢委員會從2010年代後半期起，便持續推進有關更高精度原子鐘的討論。按照規劃，2030年的國際計量大會將進行「秒的重新定義」，預計2026年秋季將公佈最終候選方案。香取教授開發的鍶原子光晶格鐘，與單離子光鐘及使用其他種類原子的光晶格鐘一道，被列為新秒定義所採用的原子躍遷的有力候選。

為加快秒重新定義的討論進程，香取教授等人也在與英國、德國、法國的研究團隊開展國際合作研究。2023年，研究團隊將可搬運型光晶格鐘運往英國與德國，與當地的光晶格鐘進行比對實驗，結果顯示，二者在小數點後17位保持一致，第18位則未能一致。香取教授就實驗的意義解釋道：「對於精度達18位、1厘米高差數值便會變化的時鐘而言，若不準確求得時鐘設置地點的重力勢差，就無法做出正確評估。可搬運型的開發，奠定了評估世界各地時鐘一致性的基礎，這對推進今後的討論至關重要。」

相對論感測亦將成為可能
源自日本的技術將改變世界

香取教授等人也在推進拓展光晶格鐘應用場景的研究，目前已與國立天文臺水澤VLBI觀測所團隊啟動合作。VLBI是長基線干涉測量法（Very Long Baseline Interferometry）的簡稱，是一種通過相距遙遠的多臺射電望遠鏡同時觀測同一天體的方法。將各臺射電望遠鏡的觀測數據加以組合，便可獲得如同使用單臺巨型射電望遠鏡觀測一般的高分辨率天體數據。

為表明各射電望遠鏡是在相同時刻進行的觀測，VLBI目前主要使用氫脈澤原子鐘，但有朝一日其很有可能被精度更高的光晶格鐘取代。為確保屆時光晶格鐘能順利引入，研究團隊正在研討需對研究設備做出怎樣的調整。

在此過程中逐漸顯現出來的，是緯度差異帶來的潮汐力影響。我們很少意識到地球的形狀在發生變化，但實際上，地球在太陽與月球的引力影響下會發生微小形變。潮汐力引發的地形變化因緯度而異，因此對比埼玉縣和光市與水澤VLBI觀測所所在地——岩手縣奧州市，兩地高程差有時會出現約5厘米的變動。目前，通過研究潮汐所伴隨的重力勢差隨時間的變化，分佈在不同地點的18位精度時鐘的時間校準步驟正逐漸明確。

若光晶格鐘的小型化持續推進，通過時間延遲測量高程差的「相對論感測」應用也有望不斷拓展。將其設置在地球上的位置或距海面高度已精確確定的基準點，或是搭載在人造衛星上，便能以數厘米精度實現板塊運動與火山活動引發的地殼上下變動監測、數小時到數年尺度的地殼形變觀測等測量，該技術作為社會基礎設施，預計將在多種用途中有所貢獻（圖4）。

圖4 通過在各類地點設置光晶格鐘、構建以光纖連接的觀測網，即可詳細觀測火山、地震、潮汐等引發的地殼細微變化。先進的時鐘技術，未來有望成為催生新型商業模式的驅動力。

此外，若將設置在各地的光晶格鐘連接起來，還可實現超高精度雲時鐘環境，並推動高速大容量通信與位置資訊服務的加速升級。香取教授的夢想正不斷擴展：「如同誕生於美國的GPS深刻改變了世界一樣，我希望能將誕生於日本的時間基礎設施推向全球。」源自日本的新型時間測量技術支撐起新一代社會基礎設施的日子，就要到來。

（TEXT：荒舩良孝、PHOTO：島本繪梨佳）

將原子放進「雞蛋盒」？光晶格鐘的原理

香取教授開發的光晶格鐘，其測量首先將氣化後冷卻至接近絕對零度的鍶原子，逐個禁錮於多束被稱為「魔法波長」的特殊波長雷射干涉製成的微小空間「光晶格」中，使原子之間不發生相互作用。能量低於周圍的區域整齊排列而成的光晶格，常被比作雞蛋盒（圖）。隨後，用雷射照射這些原子，精密測量吸收光的「原子鐘擺」的振動頻率，通過測量鍶原子能量狀態躍遷所對應的光頻率來測量時間。光晶格整體可禁錮大量原子，因此能一次性測量這些「原子鐘擺」的振動頻率並取平均，從而在短時間內完成測量，這是光晶格鐘的特點。

一般而言，原子受雷射照射時，其能量狀態會隨照射光的強度而改變。由於光晶格會在空間上改變原子能量狀態，此前一直被認為不適用於原子鐘。但採用魔法波長的雷射時，能量最低的狀態與能量較高的狀態會以完全相同的形式發生偏移，因此可以測量原子固有的能量躍遷頻率。