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2020년 4월 7일
18자리 정밀도의 휴대용 아바타 바카라 시계 개발에 세계 최초로 성공
~아바타 바카라 트리에서 일반 상대성 이론 검증~
1. 발표자
-
타카모토 장남 （ 이화학 아바타 바카라소 개척 아바타 바카라 본부 카토리 양자 계측 아바타 바카라실 전임 아바타 바카라원/이화학 아바타 바카라소 광양자 공학 아바타 바카라 센터 시공간 엔지니어링 아바타 바카라팀 전임 아바타 바카라원) 우시지마 이치로 （ 도쿄 대학 대학원 공학계 아바타 바카라과 물리 공학 전공 조교) 오오마에 선소 （ 이화학 아바타 바카라소 개척 아바타 바카라 본부 카토리 양자 계측 아바타 바카라실 아바타 바카라원/이화학 아바타 바카라소 광양자 공학 아바타 바카라 센터 시공간 엔지니어링 아바타 바카라팀 아바타 바카라원) 야하기 토모히로 （ 국토교통성 국토지리원 기획부 측량지도 과장) 고몬 연료 （ 국토 교통성 국토 지리원 지리 지각 활동 아바타 바카라 센터 우주 측지 아바타 바카라실 주임 아바타 바카라관) 마카이 수명 （ 오사카 공업 대학 정보 과학부 교수) 카토리 히데토시 （ 도쿄대학 대학원 공학계 아바타 바카라과 물리 공학 전공 교수/이화학 아바타 바카라소 광양자 공학 아바타 바카라 센터 시공간 엔지니어링 아바타 바카라팀 팀 리더/이화학 아바타 바카라소 개척 아바타 바카라 본부 카토리 양자 계측 아바타 바카라실 주임 아바타 바카라원)
2. 발표 포인트
- 18자리의 정확도(백억년에 1초의 어긋남에 상당)를 가지는 가반형 광격자 시계의 아바타 바카라에 세계에서 처음으로 성공했다
- 아바타 바카라트리의 지상층과 전망대에 설치한 2대의 가반형 광격자 시계를 사용하여 중력 적방 편이를 고정밀도로 관측하여 일반 상대성 이론을 검증했다. 검증 된 정확도는 전통적으로 10,000 킬로미터의 높은 저차를 필요로하는 위성을 사용한 실험에 육박합니다.
- 고정밀도의 휴대형 광격자 시계의 실험실외 운전의 실증은 광격자 시계의 사회 실장을 향한 큰 한 걸음이다. 적 센싱 기술의 실용화가 기대된다.
3. 발표 개요
이화학 연구소의 다카모토 장남 전임 연구원과 도쿄 대학 대학원 공학계 연구과의 카토리 히데토시 교수(이화학 연구소 팀 리더/주임 연구원) 등의 공동 연구 그룹은 시마즈 제작소와 공동으로 18자리 정도 의 초 고정밀 휴대용 아바타 바카라 시계를 개발했습니다.
一般相対論的効果の多くは「宇宙スケール」の現象として議論されてきましたが、18桁精度の原子時計では、わずか数センチメートルの「日常的なスケール」の高さの違いで時間の遅れが観測できます。この結果、従来の技術の範疇（注）では考えられることのなかった、新たな「相対論的センシング技術」が誕生します。これまで実験室環境で実証されてきた超高精度な光格子아바타 바카라小型化・可搬化と実験室外運転の実証は、この「相対論的センシング技術」の実用化に向けた大きな突破口です。
高精度な可搬型光格子時計は、プレート運動や火山活動などによる地殻の数センチメートル精度の上下変動の監視、GNSS（全球測位衛星システム）や高感度重力計と補完的に利用できる超高精度な標高差・重力場計測システムの確立など、将来の社会基盤への実装が期待されます。
本研究は、日本学術振興会(JSPS)科研費特別推進研究(JP16H06284)および科学技術振興機構(JST)未来社会創造事業「クラウド光格子時計による時空間情報基盤の構築」(JPMJMI18A1)の一部支援を受けて行われました。
本研究成果は、2020年4月6日（英国時間）発行の英国科学誌「Nature Photonics」に掲載されます。
（注）これまで、最高性能のセシウム原子時計（16桁精度）を使っても、数日測定を続けてやっと10メートルの高低差による時間の遅れを観測できる程度でした。このため、相対論的効果で標高計測を行うことの（他の測量手法に対する）優位性を見出すことは困難でした。
4.
고정밀도 원자 시계는 고정밀도로 동기화된 시간을 필요로 하는 고속 대용량 통신 및 위성 측위와 같은 현대 사회의 핵심 기술입니다. 현재, 세슘 원자시계에 의해 국제단위계의 1초가 정의되어 5천만년에 1초의 어긋남에 상당하는 정밀도가 실현되고 있습니다.
このような高精度な原子時計では、地上でわずか数センチメートルの高さの違いで、アインシュタインの一般相対性理論（注3）から導かれる時間の遅れによる周波数の変化「重力赤方偏移」効果（注4）が観測可能になります。時計周波数の重力赤方偏移を利用した標高差の計測は、아바타 바카라新しい応用「相対論的センシング技術」として注目されています。しかし、高精度な原子時計は実験室内のみで稼働できる複雑な装置となっていました。高精度な原子아바타 바카라小型化・可搬化と実験室外でも安定に動作できる堅牢化は、「相対論的センシング技術」の実用化の課題となっていました。
研究グループは、実験室で使用していた大型光学定盤上のレーザー装置を含む光学系を集約し、制御系を含めてボックス化しました。それにより、実験室環境で実現した아바타 바카라精度を劣化させることなく、システムの小型化・可搬化を実現し、実験室外の環境でも18桁精度を実現できるような可搬型ストロンチウム光格子時計を開発しました（図2）。また、長時間安定に動作できるように合計17台のレーザー装置の周波数制御の自動化を図り、かつインターネット経由で遠隔操作が可能なシステムを構築しました。
研究グループは、可搬型光格子時計を東京スカイツリーの地上階と展望台の2か所に設置し、約450メートルの標高差を与えました。これらの2台の光格子아바타 바카라周波数差を測定することで、重力赤方偏移を求めました。この一方、GNSS測量、水準測量、レーザー測距などによる標高差測定と相対重力計による重力測定を組み合わせることで、2台の아바타 바카라おかれた地点間の重力ポテンシャル差（単位質量あたりの位置エネルギー差）を求めました。こうして求めた重力赤方偏移と重力ポテンシャル差を比較することで、一般相対性理論の検証実験を行いました。
図3に実験の概要を示します。原子の共鳴スペクトルが、450メートル標高差でおよそ21ヘルツ分ずれていることが観測されました。それぞれの時計で、スペクトルのピークに常に共鳴するようにレーザー周波数を制御し、共鳴周波数の差を数日にわたって平均化することで、高精度に아바타 바카라周波数差Δνを計測しました。およそ1週間の平均化によって、展望台の時計が地上階の時計よりも相対周波数がΔν/ν=（49,337.8±4.3）×10-18만 높은(시간이 빨리 진행되고 있다) 것이 계측되었습니다[그림 4(b)] 그 후, 2대의 시계를 이화학 아바타 바카라소에 가져와, 같은 높이에 설치해 측정한 결과 , 상대 주파수 차이는 (-0.3±4.7)×10-18즉, 측정에 사용된 시계가 아바타 바카라로 일치하는 것으로 확인되었습니다[그림 4(c)].
一方、2台の아바타 바카라標高差Δhを、GNSS測量及び水準測量とレーザー測距の2つの方法で測定するとともに、相対重力計を使って重力加速度gを測定しました。この結果から、2台の아바타 바카라重力ポテンシャル差gΔh/c2=(49,337.1±1.4)×10-18을 얻었습니다.
一般相対論によれば、重力赤方偏移は、重力ポテンシャル差に等しくなります（注5）。時計で得られた重力赤方偏移と、従来の測定手法によって得られた重力ポテンシャル差を比較することで、この予言を（1.4±9.1）×10-5의 정확도로 검증했습니다. 시계를 사용하면 우주 실험에 비해 1만배 이상 적은 고저차로 동등한 실험이 가능하게 되었습니다.
このような高精度な可搬型光格子時計を使えば、GNSS測量では検出が困難な数センチメートル精度のプレート運動や火山活動による地殻の上下変動の監視や、数時間から数年という時間スケール（注6）で起こる地殻変動（標高変化）を精密に観測できるようになります。また、GNSSや高感度重力計と補完的に利用できる超高精度な標高差計測・測位システムの確立や、地下資源探査、地下空洞、マグマ溜まりの検出など、光格子時計は将来の社会基盤となる可能性を秘めています。今後、光格子아바타 바카라実用化に向けて、さらなる아바타 바카라小型化、可搬化が加速され、新たな測地技術への応用が期待されます。
5.
잡지 이름: "Nature Photonics"
論文タイトル:Test of General Relativity by a Pair of Transportable Optical Lattice Clocks
著者:Masao Takamoto[1,2], Ichiro Ushijima[3], Noriaki Ohmae[1,2], Toshihiro Yahagi[4], Kensuke Kokado[4], Hisaaki Shinkai[5] & Hidetoshi Katori[1,2,3]*
[1] Quantum Metrology Laboratory, RIKEN, Wako, Saitama 351-0198, Japan.
[2] Space-Time Engineering Research Team, RIKEN, Wako, Saitama 351-0198, Japan.
[3] Department of Applied Physics, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan.
[4] Geospatial Information Authority of Japan, Tsukuba, Ibaraki 305-0811, Japan.
[5] Osaka Institute of Technology, Kitayama, Hirakata, Osaka 573-0198, Japan.
DOI番号:10.1038/s41566-020-0619-8
アブストラクトURL:https://www.nature.com/articles/s41566-020-0619-8
6.
주1) 광격자 시계
카토리 히데토시
주2) 아바타 바카라
아바타 바카라精度は、ある時間経過した後の時間のずれで評価します。例えば、月差10秒の腕時計なら、（10秒）／（ひと月はおよそ2,600,000秒）から計算される、およそ4×10-6이 시계의 정밀도입니다. 이를 지수의 숫자를 취하여 6자리 정밀도의 시계라고 합니다. 같은 시계의 정밀도는 시계의 진자의 진동수의 정밀도에 의해 결정됩니다.
주3) 아바타 바카라
アルベルト・アインシュタインによって築かれた現代物理の基本理論の1つです。物質のまわりに生じた時・空間のひずみとして重力場を表現します。重力の強いところでは時間はゆっくり流れることも一般相対論から導かれることの1つです。
주4) 중력 적방편이
重力が強いほど時間の進み方が遅くなるという現象。重力場中での光の波長が伸びる（低い周波数にシフトする）ことから「赤方偏移」と呼ばれています。重力赤方偏移の検証は、異なる慣性系間での実験を比較することを意味しており、「重力場中の実験と等加速度運動する系での実験は区別できない」とするアインシュタインの等価原理を検証することに相当します。この等価原理が破れていると、一般相対性理論の出発点が危ぶまれることになります。本研究では、その意味で「一般相対性理論の検証」という言い方をしています。
주5) 이번 실험과 같이 중력 포텐셜 차이가 충분히 작을 때 매우 좋은 근사가 됩니다.
주6) 몇 시간에서 수년(이상)의 시간 스케일로 센티미터 정밀도를 측정할 수 있는 것도 광격자 시계를 사용하는 아바타 바카라론적 센싱 기술의 특징입니다. 광격자 시계에서는 다수의 원자를 사용함으로써 (주1) 단시간(수시간)으로 고정밀도의 고도 계측을 할 수 있습니다.
7.
그림 1 아바타 바카라 시계의 모식도
원자(구형)가 레이저 광의 간섭으로 만들어진 미세 공간(아바타 바카라(달걀 팩형))에 포획된다. 아바타 바카라는 마법 파장으로 명명된 특별한 레이저 파장으로 구성되어 있다.
그림 2 개발한 2대의 휴대형 아바타 바카라 시계
개발한 2대의 휴대용 아바타 바카라 시계. 레이저 냉각된 스트론튬 원자를 광격자 내에 포획하고, 저온으로 냉각한 항온조 중에서 시계 천이를 고정밀도로 분광한다.
그림 3 아바타 바카라 트리의 일반 상대론 검증 실험 개요
지상층과 전망대에 설치한 2대의 휴대형 아바타 바카라 시계를 광섬유로 연결하여 시계 천이의 주파수 비교를 실시한다. 한편, 2대의 시계의 표고차를 종래의 측량 수법(GNSS 측량 및 레이저 측거)에 의해 계측한다.
그림 4 아바타 바카라 트리에 설치된 두 개의 시계의 고도 차이와 주파수 차이의 측정 결과
(a) 시계 비교, GNSS 측량, 레이저 거리 측정으로 얻은 중력 잠재력 차이.
(b) 地上階と展望台に設置した2台の光格子아바타 바카라重力赤方偏移。
(c) 同じ高さに設置した2台の아바타 바카라周波数差。2台の時計が18桁精度で一致していることが示された。