(57)【要約】【課題】ラムゼー法を用いた基準信号発生器で、射影測定においては、高感度で、かつ、従来のものより長いプローブ時間を達成できるようにする。【解決手段】射影測定にはプローブ光を用いルミネッセンスを観測するが、プローブ光は、被トラップ体の一部のみに限定して照射することで、位相が乱雑化される割合を低く抑えて、複数回の射影測定ができるようにする。上記被トラップ体が１つのトラップ領域に補足されている場合は、このような射影測定によって、しだいにＳ／Ｎ比が低下するが、最後でも十分なＳ／Ｎ比が得られるように、当初から被トラップ体の数を十分な数とする。また、いくつかのトラップ領域に分かれてトラップされている場合は、プローブ光で照射するトラップ領域を順次切り替えて射影測定を行う。被トラップ体の捕捉には、イオントラップや、１次元または２次元光格子トラップを用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の原子の時計遷移の２つのエネルギー準位の重ね合わせ状態の位相変化に発振器の出力信号の位相変化をラムゼー共鳴信号を用いて同期させることで、上記時計遷移の遷移周波数に一致した周波数をもち継続した基準信号を発生する基準信号発生器であって、
被トラップ体である原子またはイオンを所定のトラップ領域にトラップするトラップ手段と、
上記トラップ領域に、上記時計遷移と上記基準信号との位相差を計測するための所定の波長のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
上記の同期からのかい離を、上記準位の基底状態（または励起状態）と、該基底状態（または励起状態）との間で遷移可能な上記とは別の励起状態間の共鳴遷移特性を用いて検出する同期かい離検出手段と、
上記の同期を維持するための帰還回路と、を備え、
上記ラムゼー共鳴信号は、上記被トラップ体に縦横パルスを照射した後、所定の時間の経過後に、横縦パルスを照射して、上記プローブ光照射手段からプローブ光を上記トラップ領域に部分的に照射し、上記プローブ光によって部分的に励起されたことによるルミネッセンスを上記同期かい離検出手段に入力して得るもので、
上記基準信号同期操作で失われたプローブ光によって励起された上記被トラップ体の部分の残りを用いて、上記ラムゼー共鳴信号を用いて上記基準信号を上記時計遷移に同期させる基準信号同期操作を、さらに行うことで、複数回の基準信号同期操作を行うものであり、
上記被トラップ体に最初の縦横パルスの照射で用意する位相の揃った原子数またはイオン数は、上記複数回の基準信号同期操作で失われる原子数またはイオン数の総和に所定の値を加えた数を超えるものであることを特徴とするラムゼー法を用いた基準信号発生器。
【請求項２】
上記被トラップ体は、１つの連続した領域にトラップされるものであり、
上記プローブ光照射手段は、上記トラップ体の冷却に使われるレーザー光と交わる方向に上記トラップ領域を上記プローブ光で照射するものであることを特徴とする請求項１に記載のラムゼー法を用いた基準信号発生器。
【請求項３】
上記被トラップ体は、複数のトラップ領域にトラップされるものであり、
上記プローブ光照射手段は、上記トラップ領域ごとに順次あるいは同時に、上記トラップ体の冷却に使われるレーザー光と交わる方向に上記トラップ領域を上記プローブ光で照射するものであり、
上記ルミネッセンスを上記同期かい離検出手段に入力する入力手段は、上記トラップ領域ごとに設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載のラムゼー法を用いた基準信号発生器。
【請求項４】
上記被トラップ体は、減圧下でイオントラップに捕らえられたイオン群であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のラムゼー法を用いた基準信号発生器。
【請求項５】
上記被トラップ体は、減圧下で光格子に捕らえられた原子群であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のラムゼー法を用いた基準信号発生器。
【請求項６】
上記被トラップ体は、イッテルビウムであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載のラムゼー法を用いた基準信号発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ラムゼー共鳴を用いた原子時計の安定度向上に関するものであり、特に、ラムゼー法を用いた基準信号発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子の遷移周波数を利用する時計には、メーザーやレーザーの様な発光型原子時計、例えばルビジウムに適用されるガスセル型原子時計、例えばセシウムを用いる原子ビーム型原子時計、あるいは、電磁的トラップを用いるトラップ型原子時計などがあり、すでに実用化されている。また、上記の発光型原子時計やガスセル型原子時計は誘導放出を用いるものであり、上記の原子ビーム型原子時計やトラップ型原子時計は、ラムゼー共鳴を用いるものである。本発明は、ラムゼー共鳴を用いる原子時計に関している。
【０００３】
対象とする原子に、注目する遷移周波数を搬送波とするパルスを２回当て、その際に見られるラムゼー共鳴を観測して時間基準を得る方法はラムゼー法（Ramsey interrogation method）と呼ばれている。このラムゼー法は、上記の２つのパルス間の時間（プローブ時間）中のローカルオシレーターと原子の位相差を測定する方法である。上記プローブ時間を長くすることで、実質的に共鳴線幅を狭くすることができ、時計の安定度を上げ得ることが知られている。
【０００４】
一般に、２準位系に、その遷移周波数を同じ周波数の電磁波を照射することで、コヒーレント振動が観測される。このコヒーレント振動の周期の１／４の継続時間のパルスは、π／２パルスと呼ばれる。また、ここで言う高周波信号のパルスとは、高周波信号の包絡線がパルスの形状のときである。
【０００５】
従来のラムゼー法は、図８に示すように、対象とする中性原子やイオンに、まず、２準位系の遷移周波数の電磁波のπ／２パルスを照射して、しばらくの間放置（自由緩和）した後、π／２パルスを照射し、その後、射影測定を行う。この射影測定は、もうひとつ別の準位との遷移を観測して、２準位系の状態密度を観測するものである。このラムゼー法は位相差を測定するものであり、その仕組を以下に詳しく説明する。
【０００６】
図４（a）は、基底状態｜ｇ＞と励起状態｜ｅ＞との２準位間を遷移周波数ω0で遷移する旨を示す。原子群の状態は、よく知られているように、次のように重ね合わせで表すことができる。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
図４は、この状態の回転座標系からみた係数をブロッホ球の位置で表したものである。このようにブロッホ球上で２準位表現することで、ｚ軸上に基底状態と励起状態をとり、その中間位置はその重ね合わせであり、赤道上は位相の違いを別にして同じ比重で重ねあわされた場合で、ｘ軸を位相０°の場合、ｙ軸は、それから９０度位相がずれた場合と定義する。
【０００９】
また、この２準位系が共鳴する遷移角周波数ω0の電磁波をその原子群に照射することにより、分布密度が基底状態と励起状態とで振動するコヒーレント振動が引き起こされることも知られている。この振動周期の１／４、つまりπ／２ラジアンの間の照射（以下、π／２パルス）で、上記の赤道上に分布密度を設定することができることもよく知られている。図５（ａ）と図５（ｂ）は、この振動の周期の基底状態から赤道上の状態へ分布が変化する様子を表している。
【００１０】
従来のラムゼー法は、対象とする中性原子やイオンに、まず、図５（ａ）に示すように基底状態にある２準位系の遷移周波数の電磁波のπ／２パルス（以下、縦横パルスと表記）を照射する。このときのブロッホ球で矢印の位置は、上記遷移周波数で回転する回転座標系から見た場合、図５（ｂ）に示すように赤道上であるが、これをｘ軸の方向とする。その後、しばらくの間（プローブ時間）放置する。上記の遷移周波数と照射する電磁波の周波数との間に僅かなずれがある場合には、プローブ時間で矢印位置と上記電磁波との間で位相のずれが発生するので、図５（ｃ）に示すように、矢印位置はｘ軸方向から赤道上でずれる。このプローブ時間中の状態密度の緩和が無視できる場合には、９０度位相のずれた（例えば、進んだ、あるいは、遅れた）電磁波のπ／２パルス（以下、横縦パルスと表記。位相＋９０°のπ／２パルスあるいは位相−９０°のπ／２パルスを意味する）を照射することで、図５（ｄ）に示すように、上記の位相のずれが、ｚ軸上の値に転写される。このｚ軸上の値を射影測定によって測定する。この射影測定によって、位相のずれが判明し、従って、上記遷移周波数からの上記電磁波の周波数のずれが明らかとなるので、これを補正する。このπ／２パルスの照射から補正までを繰り返すことで、原子時計を実現していた。
【００１１】
従来は、射影測定を用いて上記基底状態または励起状態と、もうひとつ別の準位との遷移を、観測して上記基底状態または励起状態の占有率を決定していた。この観測は、上記電磁波の周波数がその２準位系の遷移周波数と一致しているかどうかを共鳴線の中心で見るものであった。このように共鳴線の中心で観測することで、高い信号対雑音比が得られる。しかし、エネルギーの吸収を伴うので、２準位系の位相（重ね合わせ状態）を壊すため、有効な射影測定は１度限りしかできないという欠点があった。
【００１２】
上記プローブ時間を長くするための方法としては、例えば特許文献１（米国特許第６３０３９２８Ｂ１号明細書）の開示がある。これは、傾斜磁場と円錐形の反射鏡に入射する円偏光のレーザー光とを用いて低速の連続原子ビームを生成するものである。原子ビームを低速にすることによって、上記のプローブ時間を長くすることができる。しかし、原子が落下してしまうことによる限界があった。上記プローブ時間を長くとれる構成としては、ファウンテン型の原子ビーム射出機構をもったラムゼー共鳴を用いた原子時計が知られている。
【００１３】
また、そのパルス間の時間の長さは、上記搬送波を発生するローカルオシレーターの出力信号に含まれる位相ノイズによって制限されおり、上記プローブ時間を長く取れない原因の１つとなっていた。
【００１４】
位相は−π／２から＋π／２ラジアンの値でのみ測定できるため、プローブ時間中に蓄積した位相差がπを超える場合は、正しいフィードバックの信号を得ることができない。つまり、一般に位相差はプローブ時間の増大と共に増大するが、それが±πラジアンを超えないという制約の中でしかプローブ時間を増やすことが出来なかった。
【００１５】
また、特許文献３（特開２０１２−５４４３３号公報）では、プローブ時間中も時々位相差を非破壊測定によってモニターし、基準信号とのずれを、その基準信号を生成する発振器の位相にフィードバックする。このモニターを、位相差が±πに収まる間隔で行うことで、位相差が±πを超える領域にまで実質的なプローブ時間を伸ばすことができた。つまり、従来のラムゼー法に非破壊測定を適用して、原子の位相にローカルオシレーターの位相をロックすることが実現され、今まで達成されなかった長いプローブ時間が達成された。
【００１６】
これにより、測定時間τが決められている場合の時計の安定度は、従来の方法では測定時間τに応じて増大する測定回数に対して統計処理を行うため、τ-1/2で収束するが、特許文献３の場合は実質的にτまでプローブ時間を長くすることができ、τ-1で収束する。
しかし、一般に非破壊測定は破壊測定に比べて検出感度が低いため、非破壊測定では、測定対象とする原子数やイオン数がより大きいことが必要であることが知られている。
【００１７】
また、捕獲した原子群に、その原子の持つ２準位間の遷移周波数に等しい周波数を持った基準信号による位相０°のπ/２パルスを照射し、時間τの後に、その信号が継続した信号から９０度位相のずれた信号による位相９０°のπ/２パルスを照射して、上記２準位間の遷移周波数と上記基準信号の周波数が一致するようにした原子時計はすでによく知られている。例えば、特許文献２（米国特許２００７／０２００６４３Ａ１号明細書）には、ＣＰＴ（coherent population trapping）時計として知られる原子時計についての記載がある。これは、原子のもつ２準位を励起し、この励起を、もう一つの準位との光学的共鳴を用いて検出するもので、その応答は、光吸収、磁気選択性、蛍光、などで検出するか、あるいは磁気的に検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第６３０３９２８Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許２００７／０２００６４３Ａ１号明細書
【特許文献３】特開２０１２−５４４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来、プローブ時間中に蓄積した位相差が±πを超える場合は、正しいフィードバックの信号を得ることができなかったが、特許文献３において、その位相差が±πラジアンを超えるほどのプローブ時間にも拡張することができるようになった。しかし、この開示においては、非破壊測定が用いられており、検出感度は比較的低いものであった。
【００２０】
そこで、本発明では、ラムゼー法における位相の射影測定に、好感度である従来の破壊測定を適用するが、均一な位相の領域を徐々に消費するようにすることで射影測定を複数回できるようにする。これによって、実質的なプローブ時間について今まで達成できなかった長時間にすることができ、しかも高感度の測定を行うことができるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
このため、本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器は、
所定の原子の時計遷移２つのエネルギー準位の重ね合わせ状態の位相変化に発振器の出力信号の位相変化をラムゼー共鳴信号を用いて同期させることで、上記時計遷移の遷移周波数に一致した周波数をもち継続した基準信号を発生する基準信号発生器であって、以下の特徴をもつものである。
まず、被トラップ体である原子またはイオンを所定のトラップ領域にトラップするトラップ手段と、
上記トラップ領域に、上記時計遷移と上記基準信号との位相差を計測するための所定の波長のプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
上記の同期からのかい離を、上記準位の基底状態（または励起状態）と、該基底状態（または励起状態）との間で遷移可能な上記とは別の励起状態間の共鳴遷移特性を用いて検出する同期かい離検出手段と、
上記の同期を維持するための帰還回路と、を備える。
上記ラムゼー共鳴信号は、上記被トラップ体に縦横パルスを照射した後、所定の時間の経過後に、射影測定のために、横縦パルスを照射して、上記プローブ光照射手段からプローブ光を上記トラップ領域に部分的に照射し、上記プローブ光によって部分的に励起されたことによるルミネッセンスを上記同期かい離検出手段に入力して得るもので、
上記基準信号同期操作で失われたプローブ光によって励起された上記被トラップ体の部分の残りを用いて、上記ラムゼー共鳴信号を用いて上記基準信号を上記時計遷移に同期させる基準信号同期操作を、さらに行うことで、複数回の基準信号同期操作を行うものであり、
上記被トラップ体に最初の縦横パルスの照射で用意する位相の揃った原子数またはイオン数は、上記複数回の基準信号同期操作で失われる原子数またはイオン数の総和に所定の値を加えた数を超えるものである。
【００２２】
また、上記被トラップ体は、１つの連続した領域にトラップされるものであり、
上記プローブ光照射手段は、上記トラップ体の冷却に使われるレーザー光と交わる方向に上記トラップ領域を上記プローブ光で照射するものである。
【００２３】
また、上記被トラップ体は、複数のトラップ領域にトラップされるものであり、
上記プローブ光照射手段は、上記トラップ領域ごとに順次あるいは同時に、上記トラップ体の冷却に使われるレーザー光と交わる方向に上記トラップ領域を上記プローブ光で照射するものであり、
上記ルミネッセンスを上記同期かい離検出手段に入力する入力手段は、上記トラップ領域ごとに設けられたものである。
【００２４】
上記被トラップ体は、例えば、減圧下でイオントラップに捕らえられたイオン群である。あるいは、上記原子は、減圧下で光格子に捕らえられた原子群であってもよい。
【００２５】
上記被トラップ体が、イッテルビウムである場合に、上記２準位系の遷移周波数として、マイク口波帯のものか可視光帯のものかから選択することができる。
【発明の効果】
【００２６】
従来のラムゼー法ではローカルオシレーターの位相ノイズによってプローブ時間の最大値が決まっていた。本発明では、この最大値を超えてプローブ時間を長くすることができ、より安定度の高い原子時計を実現できる。しかも、上記同期のための帰還信号を高感度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器の例を示す図である。これは、線形イオントラップ１０に捕獲された被トラップ体（171Ｙｂ＋）のもつＳ1/2の超微細構造の遷移周波数１２．６ＧＨｚに、セシウム発振器（或いは他の参照発振器）１とダイレクトデジタルシンセサイザー（或いは他の周波数及び位相可変シンセサイザー）３の和周波数を出力するローカル発振器２０の出力する基準信号の周波数を一致させるものである。この一致は、プローブ光源１２からのプローブ光を照射してそのＳ1/2の基底状態とＰ1/2の基底状態間の波長３７０ｎｍのルミネッセンスを受光器６と同期かい離検出手段７で観測して確認する。この同期かい離検出手段７の出力を帰還信号として、ダイレクトデジタルシンセサイザー３の出力信号の周波数を調整することで位相の同期を実現する。
【図２】対象となるイッテルビウム（Ｙｂ＋）イオンの量子準位とその遷移周波数あるいは遷移波長を示す図である。
【図３】本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器を用いて基準信号を発生させる手順を示す図である。（ａ）では、（１）位相０°のπ／２パルスを、基底状態にある上記原子に照射して半数の原子を遷移させる。（２）所定の時間（プローブ時間１）放置する。（３）位相＋９０°のπ／２パルスまたは位相−９０°のπ／２パルスを上記原子に照射する。（４）プローブ光による射影測定を行って帰還信号を取得する。この際、位相＋９０°のπ／２パルスまたは位相−９０°のπ／２パルスによって、帰還信号の極性を変える。（５）上記帰還信号によって、基準信号発生器の周波数を制御して上記基準信号の位相同期を行う。（６）（３）のパルスとは位相が１８０°ずれたπ／２パルスを上記原子に照射する。（７）上記（２）から（６）を繰り返す。この際、プローブ時間は、上記のプローブ時間１と同じにする必要はない。また、（ｂ）では、初めに上記原子を励起状態にするもので、ここではπ／２パルスを２つ照射している。
【図４】ブロッホ球を説明するための図である。
【図５】本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器における２準位系の状態の変化を示す図である。（ａ）基底状態にある２準位系の遷移周波数の電磁波の位相０°のπ／２パルスを照射する。このときのブロッホ球で矢印の位置は、上記遷移周波数で回転する回転座標系から見た場合、（ｂ）に示すように赤道上であるが、これをｘ軸の方向とする。その後、しばらくの間（プローブ時間）放置する。上記の遷移周波数と照射する電磁波の周波数との間に僅かなずれがある場合には、プローブ時間で矢印位置と上記電磁波との間で位相のずれが発生するので、（ｃ）に示すように、矢印位置はｘ軸方向からずれる。このプローブ時間中の状態密度の緩和が無視できる場合には、９０度位相のずれた（例えば、進んだ、あるいは、遅れた）電磁波のπ／２パルス（以下、位相＋９０°のπ／２パルスあるいは位相−９０°のπ／２パルスと表記）を照射することで、（ｄ）に示すように、上記の位相のずれが、ｚ軸上の値に転写される。（ｅ）このｚ軸上の値をプローブ光による射影測定によって行う。その後、上記電磁波の周波数を補正し、（ｆ）上記の位相±９０°のπ／２パルスから１８０度位相のずれた電磁波のパルス（−９０°或いは＋９０°π／２パルス）を生成し、これを照射して、ブロッホ球の矢印位置を赤道上に戻す。
【図６】本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器の他の実施例を示す図である。
【図７】本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器に用いる、光格子トラップを用いた実施例を示す図である。
【図８】従来のラムゼー法の原理を示す図である。対象とする中性原子やイオンに、まず、２準位系の遷移周波数の電磁波のπ／２パルスを照射して、しばらくの間放置（自由緩和）した後、９０度位相の遅れた電磁波のπ／２パルスを照射し、その後、射影測定を行う。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２９】
図１に、本発明のラムゼー法を用いた基準信号発生器の例を示す。また、図２に対象となるイッテルビウム１７１（171Ｙｂ＋）イオンの量子準位とその遷移周波数あるいは遷移波長を示す。これは、線形イオントラップ１０に捕獲された上記（Ｙｂ＋）イオンのもつＳ1/2の超微細構造の時計遷移間の遷移周波数１２．６ＧＨｚに、セシウム発振器１とダイレクトデジタルシンセサイザー３の和周波数を出力するローカル発振器２０の出力する基準信号の周波数を一致させるものである。この一致は、上記ローカル発振器２０の出力信号を上記Ｙｂイオンに照射してＳ1/2超微細構造間の遷移を起こし、プローブ光源１２からのプローブ光を照射してそのＳ1/2の基底状態とＰ1/2の基底状態間の波長３７０ｎｍのルミネッセンスを受光器６と同期かい離検出手段７で観測して確認する。この同期かい離検出手段７の出力を帰還信号として、ダイレクトデジタルシンセサイザー３の出力信号の周波数を調整する。なお、本実施例の測定に関しては、各ブロックの以下に説明する操作は、制御器３０を用いて制御する。
【００３０】
本発明の射影測定では、ルミネッセンスを用いる破壊測定とするが、破壊測定に使用するのは限定された一部または限定された割合とし、上記２準位の位相（重ねあわせ状態）を破壊しない部分を残しつつ、位相変化を追跡する。これによって、上記射影測定を繰り返し行えるようにする。例えば−９０度から９０度の領域を超える位相変化がある場合でも、上記ブロッホ球における自由歳差運動の時間を長く取った射影測定ができる。
【００３１】
つまり、本実施例の射影測定では、上記複数回の最後を除いて、２準位系の位相（重ねあわせ状態）を変えない部分を残す、またはその位相（重ねあわせ状態）を希釈するが残す様に行う。その際、初めに、複数回の射影測定を行うことを前提にして充分な量の射影測定用資源を用意する。ここで射影測定用資源とは、上記の手順で用意された射影測定に使用可能な原子数またはイオン数のことである。また、上記の様に複数回の射影測定を行う場合、射影測定毎に部分的に射影測定用資源が失われ、場合によっては希釈される。このように失われた射影測定資源は、ノイズ源になる場合がある。また、上記自由緩和の期間中に上記資源が僅かに失われる。また、複数回の最後に行われる射影測定の際も十分な信号対ノイズ比が必要であるため、この最後の射影測定でも資源が全て消費されることはなく、資源の残りが生じる。このため、初めに用意する資源の量は、上記の複数回の射影で失われる資源の総和に、その他信号対ノイズ比で決まる所定の資源量を加味したものであることが望ましい。
【００３２】
最初の射影測定の後、上記電磁波の周波数を補正し、上記のπ／２パルスから１８０度位相のずれた電磁波のパルス（位相−９０°または＋９０°のπ／２パルス）を生成し、これを照射して、ブロッホ球の矢印位置を赤道上の元の位置に戻す。この後、上記と同様にしばらくの間（プローブ時間２）放置する。上記の周波数の補正は、このプローブ時間２に行ってもよい。また、プローブ時間１、２は、必ずしも同じである必要はない。上記周波数と上記電磁波の周波数が僅かに異なっているときには、図１の帰還回路８を通じて、ダイレクトデジタルシンセサイザー３に帰還信号を伝送し、電磁波の周波数を補正する。ここで、上記の各種パルスは、パルス制御信号によってダイレクトデジタルシンセサイザー３を制御して、生成するものである。
【００３３】
上記の一連の複数回の射影測定において、最後の射影測定に至る途中の射影測定は、その位相が例えば−９０度から９０度の領域を何度通過したかを判定し、最も高い信号対雑音比となる条件での射影測定を最後に行い、この最後の測定によって基準信号発生器の周波数の修正に用いる帰還信号とすることもできる。
このためには、その最後の場合にくらべその途中の射影測定では、（イ）プローブ光の強度を下げる、（ロ）プローブ光の断面積を抑制する、あるいは、（ハ）上記被トラップ体への上記プローブ光の照射体積を抑制するなどを行う。
【００３４】
従って、上記のラムゼー法を用いた基準信号発生器を用いて基準信号を発生させるには、図３（ａ）に示す様に、次の手順に従う。
（１）時計遷移の周波数にほぼ等しい電波のコヒーレント振動のπ／２パルスを、基底状態にある上記被トラップ体に照射して半励起の重ね合わせ状態を生成する。
（２）所定の時間（プローブ時間１）放置する。
（３）位相＋９０°のπ／２パルスまたは位相−９０°のπ／２パルスを上記原子に照射する。
（４）射影測定を行って帰還信号を取得する。ここで、（３）の位相＋９０°のπ／２パルスまたは位相−９０°のπ／２パルスによって、帰還信号の極性を変えるものとする。
（５）上記帰還信号によって、基準信号発生器の周波数を制御して上記基準信号の位相同期を行う。
（６）位相−９０°のまたは位相＋９０°のπ／２パルスを上記被トラップ体に照射する。
（７）上記（２）から（６）を繰り返す。この際、プローブ時間は、上記のプローブ時間１と同じにする必要はない。
【００３５】
また、図３（ｂ）に示す様に、当初、π／２パルスを２つ照射することによって、上記原子を励起状態にすることは容易である。この場合も、上記（１）から（７）の手順を適用することができる。
【００３６】
また、図５から明らかなように、（７）における繰り返しにおいて、位相＋９０°のπ／２パルスと位相−９０°のπ／２パルスを交互に用いることにより、（３）の射影測定の過程でうける、射影測定の残りの上記被トラップ体の受け得る摂動を交互に相殺することもできる。
【００３７】
ここで、上記の（５）であった、
（Ａ）上記帰還信号によって、上記基準信号の位相同期を行うことについては、
（６）１８０°π／２パルスを上記原子に照射するステップ、または、（２）所定の時間放置するステップ、
と並列に行うことで、非破壊測定を行うため帰還信号に反映されない期間を縮小し、また、上記発振器の発振周波数を調整して発振信号の位相を調整する期間を充分長くとることができる。
【実施例２】
【００３８】
上記の説明においては、イオントラップに捕捉されたイオン群を用いる例を示したが、上記イオン群が分割された状態で、複数のイオントラップに捕捉され、結果的に複数のイオン群が設けられた例について次に説明する。
【００３９】
図６に２つのイオン群α、βを保持することが可能なイオントラップを示す。このイオントラップは、図１に示す線形イオントラップ１０に置き換えて用いることができる。但し、プローブ光は、プローブ光源１２からの光を半透過鏡１４で分岐して生成したプローブ光α、βを、制御器３０で制御されたシャッター１６α、βで断続して、イオン群α、βのそれぞれに順に照射する。つまり、イオン群αでの単数または複数回の測定を終えた後に、イオン群βで単数または複数回の測定を行う。プローブ光のイオン群α、βへのこのような照射は、また、プローブ光源１２からの光をガルバノミラー、あるいはガルバノスキャナで振り分けることで実現できることは明らかである。また、受光器６には、イオン群α、βのそれぞれのみの受光を行う専用の受光器をそれぞれに用いることも、共通の受光器を用いることもできる。上記専用の受光器を用いる場合は、シャッター１６αを開け１６βを閉じてイオン群αの測定をプローブ光αで行った後、イオン群βの測定時に、シャッター１６α、β双方を開けてプローブ光（α、β）の両照射を同時に行うこともできる。
また、上記の場合と同様に、プローブ光αをβに比べて光量を抑制することで、最初の射影測定で位相の乱雑化を抑え、最後の射影測定での信号対雑音比の劣化を防止することができる。この光量の抑制は、半透過鏡１４の反射率と透過率、および反射鏡の反射率とを変えて調整することができる。
【００４０】
１次元光格子を用いるトラップの場合は、３以上の原子群あるいはイオン群をトラップすることが可能であることが知られているが、この場合は、例えば、原子群あるいはイオン群に順次プローブ光を照射して順次射影測定を容易に行うことができる。
また、図８に示す２次元光格子や図示しないが３次元光格子を用いることができることが知られているが、これらの場合は、トラップされた原子群あるいはイオン群を、例えばガルバノスキャナを用いて順次スキャンするようにすることが可能である。
【００４１】
上記被トラップ体として用いることのできるイオン群としては、次のイオン種をあげることができる。
１）水銀イオン；原子が重いので、低速であり、レーザー冷却に有利である。
２）カドミウムイオン；このイオン群に使用するレーザーが作りやすい。
３）カルシウムイオン；カルシウムに毒性がないため、取り扱いが容易である。
４）ストロンチウムイオン；時計として高い確度が期待できる。
５）アルミイオン；黒体輻射による周波数シフトが小さいために、時計として高い確度が期待できる。
また、光格子に適用しやすい原子群としては、次のものがある。
６）ストロンチウム；光格子でのトラップの実績があり、実用化し易い。
７）イッテルビウム；上記ストロンチウムと同様の特徴を備える。
８）水銀；時計として高い確度が期待できる。
９）マグネシウム；今後実用化される可能性がある。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の応用先は、主に原子時計である。原子時計は単に時計として情報通信の分野で用いられるだけではなく、位置の測定や長さの測定の基準になるもので、その利用例は多岐に渡る。具体的にはＧＰＳやＶＬＢｌなどの基準となる時計に応用されたり、チップスケール原子時計に応用されたりし得る。又インターネットのタイムスタンプを正確に記録、分配する用途に使われる。
【符号の説明】
【００４３】
１  光源
２  データバス
３  ダイレクトデジタルシンセサイザー
４  増幅器
５  レーザー光源
６  受光器
７  同期かい離検出手段
８  帰還回路
１０  線形イオントラップ
１１  原子群またはイオン群
１２  プローブ光源
１３  バイアス電圧
１４  半透過鏡
１５  反射鏡
１６  シャッター
２０  ローカル発振器
３０  制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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