米国国立標準技術研究所 (NIST) とコロラド大学ボルダー校の共同機関である JILAの研究チームが、世界最高精度の原子時計を開発した。この新しい時計は、300億年に1秒しか誤差が生じないという驚異的な精度を誇り、火星への着陸やダークマターの観測にも役立つ可能性がある。
光格子時計が切り拓く新時代
この革新的な原子時計は、「光格子」と呼ばれる技術を採用している。光格子は、レーザー光の定在波によって形成される周期的なポテンシャルで、この中に原子を捕捉する。この新しい時計では、約4万個のストロンチウム原子を絶対零度近くまで冷却し、光格子内に閉じ込めている。
従来の原子時計がセシウム原子にマイクロ波を照射して時間を計測していたのに対し、この新世代の時計は可視光波を使用することで、はるかに高い精度を実現している。
具体的には、この時計は8.1 × 10-19という総合的な系統誤差を達成した。これは 300 億年 (現在の宇宙の年齢の 2 倍以上) 動いたとしても、1 秒しかずれないということで、これまでに報告された全ての光時計の中で最高の精度だ。研究チームは、原子を捕捉する光の網をより浅く、より緩やかにすることで、レーザー光による影響や原子同士の衝突による誤差を大幅に削減することに成功した。
JILAの物理学者Jun Ye氏は、この時計の革新性について次のように述べている「この時計は非常に精密なので、一般相対性理論のような理論が予測する微小な効果を、顕微鏡レベルでも検出できます。これは時間計測の可能性の境界を押し広げるものです」。
この高精度の時計は、重力が時間の流れに与える影響を人間の髪の毛ほどの微小な距離（サブミリメートルスケール）で検出できる。これは、Einsteinの一般相対性理理論が予測する「重力による時間の遅れ」を、極めて小さなスケールで実証できることを意味する。この能力は、量子力学と一般相対性理論の交差する領域での新たな発見につながる可能性がある。
さらに、この技術は宇宙探査にも大きな影響を与える可能性がある。Ye氏は「火星に宇宙船を正確に着陸させたいのであれば、今日のGPSよりも桁違いに精密な時計が必要になります。この新しい時計は、それを可能にする大きな一歩です」と語っている。
加えて、この原子時計の開発で使用された原子を捕捉し制御する技術は、量子コンピューティングの発展にも寄与する可能性がある。量子コンピュータは、個々の原子や分子の内部特性を精密に操作して計算を行う必要があるため、この技術の進歩は量子コンピューティングの実現に向けた重要なステップとなる。
Ye氏は、この研究の意義について次のように締めくくっている「測定科学の最前線を探求しているのです。このレベルの精度で物事を測定できるようになると、これまで理論上でしか語れなかった現象が見えてくるのです」。
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