9,000km離れた日独の光格子時計が625兆分の1の精度で一致！～通信衛星を用いて大陸間直接比較～

2014年5月27日

独立行政法人 情報通信研究機構（NICT）

9,000km離れた日独の光格子時計が625兆分の1の精度で一致！
～世界初、通信衛星を用いて光時計の大陸間直接比較を新手法で実現～

【ポイント】
■　日独で独自に開発した光格子時計の刻む時間が625兆分の1の精度で一致
■　大陸間の直接比較が可能な通信衛星を用いた新手法を開発
■　本手法は光時計による秒の再定義の必要条件をクリア。次世代の国際標準として利用する可能性を実証

　独立行政法人 情報通信研究機構（以下「NICT」、理事長: 坂内 正夫） リンクは、ドイツ物理技術研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 以下「PTB」）と共同で、通信衛星を利用した新しい手法で、両機関で開発されたストロンチウム光格子時計の生成周波数を直接比較することに世界で初めて成功し、両時計が刻む時間の長さが625兆分の1の精度で一致していることを確認しました。今回開発した周波数比較の手法（衛星双方向搬送波位相法）により、現在の秒の定義に依存せずに、秒の二次表現であるストロンチウム光格子時計の生成周波数を大陸間で比較することができます。そのため、本手法は、光時計で秒の再定義がなされたときに、光時計による時刻を国際標準として国際間で維持するための有効な比較手法として期待されます。

【背景】
　現在、1秒はセシウム原子が共鳴する約9.2GHzのマイクロ波遷移の周波数によって定義されており、NICTが生成している日本標準時はセシウム原子時計を利用しています。一方、近年レーザー光の数100THzに及ぶ高い振動数をカウントすることによって新しい時間の基準を作ることが可能となり、光格子時計等の光時計で秒を定義し直すこと（秒の再定義）が議論されつつあります。しかし、光による、より高精度な時間の基準を国際標準として運用するためには、国際的に同じ長さの1秒が生成されていることを現在より高い精度で定常的に確認する必要があり、その比較手法の開発は、光原子時計の開発と同様に秒の再定義への必要条件と言われています。
　日本発の方式であるストロンチウム（Sr）光格子時計は、現在、日米仏独4か国で動作しており、秒の再定義の有力な候補とみなされています。しかし、すべての光格子時計が本当に現行のセシウム標準を超える精度で同じ長さの時間を刻んでいるのか、国内については光ファイバリンクによって、2つの時計を直接接続して1,400兆分の1（7.0×10のマイナス16乗、6,500万年に1秒）まで客観的に証明されていました。一方、大陸間では現行のセシウム標準を用いるため300兆分の1（3.3×10のマイナス15乗）程度の一致しか確認することができず、秒の再定義に十分な精度での一致は確認されておりませんでした。

【今回の成果】
　今回、NICTは、現行のセシウム標準を経由せず、通信衛星を利用して光時計を直接接続する新しい手法を開発し、共にSr光格子時計を持つPTBとの間で、両光格子時計の刻む時間の長さを高精度に直接比較することに成功しました。そして、その結果、両者が625兆分の1（1.6×10のマイナス15乗）以下の不確かさで一致していることを確認しました。
　NICTとPTBは、双方ともSr光格子時計を持つと同時に国家標準時を生成しており、両者間では通信衛星を利用して常に互いの標準時の時刻差を計測しています。今回開発した手法は、この時刻差測定技術を発展させたもので、遠く9,000km離れた二つの光格子時計の周波数を高精度に比較することを可能としました。

【今後の展望】
　今回開発した比較手法や伝送装置を更に工夫することにより、更なる精度向上を目指します。原子時計の生成周波数は、月や太陽の位置により変化する潮汐効果によって17桁目からずれてしまうことが知られています。今回のような地球規模の周波数比較が短時間の測定で可能となれば、ノイズとなるこの潮汐効果を測定・校正することが可能となり、重力環境を測定するセンサー等、時計以外の目的に光格子時計を応用する可能性も広がっていきます。