情報通信研究機構(NICT)は、電磁波研究所時空標準研究室において、光格子時計と水素メーザ原子時計を組み合わせた「光・マイクロ波ハイブリッド方式」を新たに開発し、光格子時計に基づく高精度な時刻信号の発生を世界で初めて半年間継続させることに成功したことを発表した。この成果は3月9日、英国オープンアクセス科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

  • ストロンチウム光格子時計(出所:NICTニュースリリース)

    ストロンチウム光格子時計(出所:NICTニュースリリース)

各国の標準時は、国際度量衡局(BIPM)が生成する協定世界時を参照し、これと同期して生成・維持されている。NICTが生成する日本標準時は、協定世界時に対して常に5,000万分の1秒以内の時刻差を維持している。1秒の長さは、セシウム原子のマイクロ波遷移の周波数を9,192,631,770Hzとすることで決まり、現在、世界最高精度のセシウム時計は、正確な1秒間を±1.1×10-16 秒の精度で実現できる。

一方で、ストロンチウム光格子時計は、セシウム時計を超える5×10-17の精度を保っており、時刻維持への利用が期待されるが、一般に装置が複雑である光時計は長期にわたり無人で動作し時刻を示し続けることは難しく、光時計に基づいて時を刻むことは実現していなかった。

NICTは今回、ストロンチウム光格子時計と従来のマイクロ波時計で無人運転可能な水素メーザ原子時計を組み合わせて、時刻信号を発生する新しい方式「光・マイクロ波ハイブリッド方式」を新たに開発し、光格子時計に1秒の基準を求める形で、時刻系信号を半年にわたって生成することに成功した。

この方式で生成した時刻信号は、世界の標準時である協定世界時よりも正確で、国際度量衡局(BIPM)が世界中の原子時計データを利用して計算する最高精度の仮想時刻と比べて、ズレは半年で僅か12億分の1秒以下(0.79ナノ秒)であった。

また、現在の日本標準時よりも1桁高い精度で時刻を生成できることが確認され、将来、秒の定義がセシウム時計から光格子時計に変更されても、新しい光による定義に基づいて時刻を維持できることも示された。

  • 時刻信号生成の構成図(出所:NICTニュースリリース)

    時刻信号生成の構成図(出所:NICTニュースリリース)

国際度量衡委員会時間周波数諮問委員会では、2026年に秒の定義を原子の光領域にある遷移周波数に変更することを検討している。光時計によって協定世界時を校正することは、秒の再定義のためのひとつの必須条件となっており、今回の成果はこの条件をクリアする有力な方法になる。

また、光時計を複数用意して確実に週一回等の定期的な運用をできるようになれば、この方式を日本標準時にも適用可能となる。NICTはこの成果を受け、「光・マイクロ波ハイブリッド方式」の日本標準時への適用を目指し、実用化のプロセスを進めていくという。