Ⅳ

電磁波センシング基盤技術

誤差万年に 秒 ／ 井 戸 哲 也

6,5001

誤差6,500万年に1秒－日本発の光格子時計で1秒の新たな定義を狙う－「さらなる時の細分化を求める現代社会。時計の振り子を毎秒 400 兆回という光の振 動で実現し、桁 外れの 精 度を 皆 様 にお届 けすべく、光原子時計とその配信技術を研究しています。」

井戸 哲也（いど てつや）
電磁波計測研究所
時空標準研究室 主任研究員

大 学 院 修了後、JST-ERATO 研究 員、JILA（米国 NIST/コロラド大学）Research Associate、JST- さきがけ研究者を経て、2006 年、NICT に入所。大学院修了後より Sr 原子のレーザー冷却及びその原子時計への応用、また精密光計測技術や周波数コム技術を利用した真空紫外光発生の研究に従事。博士（工学）。

背景NICT が 国 民 の 皆 様に供 給している日本 標
準時は、世界標準時があってそれを中継して国内に配っている、というものではなく、あくまでNICT 内にある多数の原子時計で自ら生成しているものです。従って、NICT 内でできるだけ正確な 1 秒を生成する能力を保持する必要があります。現在、国際単位系の 1 秒はセシウム原子の9.2GHz のマイクロ波遷移＊1 で定義されており、NICT にて開発したセシウム原子泉方式周波数（誤差 2,000 万年
標準は 1.4 × 10 -15 の不確かさに 1 秒）で 1 秒を実現できます。
しかし、通信においてその媒体を電波から光へ変更して高速大容量が実現したように、周波数標準においても光による方式を確立すると性230

り光原子時計の開発が精力的に行われてきてお時計を構築できることに気づき、2003 年にはり、近年ではマイクロ波時計を凌駕する光原子筆者と共にドップラーシフトのない非常に先鋭時計方式が複数開発され、秒の定義を書き換えな原子スペクトルを得る原理検証実験に成功しることが議論されています。光原子時計の方式

ました。そして 2006 年には東大の他、米仏のとして現在欧米発で 30 年以上の歴史のある単研究機関で得られた時計遷移の周波数がよい

一イオントラップ方式 ＊2 と今世紀に入ってから一致を示したために、この光格子方式の原子時日本で提案された光格子時計方式があります。

計はその信頼度が認められ、現在 10 近くの国

また、光原子時計の開発と並んで秒の改訂のカ

立標準研究所において研究が 精力的に進めらギを握るのが、遠隔地にある周波 数 標準を比れています。

較・較正する技術です。標準として世界中で皆Ⅰ−２

Ⅰ−３ネットワークセキュリティ技術

が 1 秒を共有するためにはそれぞれの時計が一Ⅰ−１ワイヤレスネットワーク技術

起こさずに強くトラップでき、高性能な光原子光ネットワーク技術能が劇的に改善します。そのため、前世紀末よ

光ファイバによる高精度光周波数標準伝送技術

致した時間を生成することを確認する必要があり、光原子時計による高性能化に見合う性能改

光ファイバは温 度 変 化や振 動による伸縮や善を遠距離周波数比較技術においても実現する

屈 折率 変 化によって光 路 長 が 変 化し、このた必要があります。

め受け手側ではドップラーシフトした間違った開始しました。そしてこの時計が生成する基準り返し、送 信側では伝 送 路で 生じた位相 雑音光周波数を、開発した光ファイバによる高精度を検 出し、それを抑 制するよう位 相 補 償を 送光周波数標準伝送システムによって東京大学（以信側で施すことによって受 信側に忠 実に光周下「東大」）に伝送し、東大の光格子時計との遠波 数を 送 信 で きます。2011 年 の 実 験では 小距離周波数比較を行い、光格子時計の普遍性と金 井−大手町間の NICT が運 用する光ネット光周波数標準の伝送・比較技術の確立を実現

ワークテストベッド JGN2plus（現 JGN-X）をし、さらなる精度向上を図っています。

利 用した NICT −東 大 間 のファイバ長 60km

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

で受 信光の 一 部を同一ファイバ で 送 信側に送Ⅱ子時計を独自開発し、2010 年半ばより動作をⅠ−４

周波数を受信してしまいます。そこで、受信側新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

時空標準研究室ではストロンチウム（Sr）光格において約 400THz の 光 周 波 数を 積 算 時 間
光格子時計とは1 秒で標準偏差 1Hz 以下の伝送精度で伝送す共鳴になるようレーザー周波数を調整すること

傍に敷 設される等、雑音環 境が劣悪な場合がによって得られます。このときに原子が 動いて多く、今回この精度は天 候 が穏やかな 真 夜中いるとドップラーシフトを受けてしまうために原という好条件においてのみ得られたものです。

子を空間に強く固定する（トラップする）必要が

欧 州では静かな 地中に敷 設されたファイバにあります。前世紀においてはイオンを使用してよって伝 送 距離 1,000 ㎞のリンクも実証され電場でトラップするイオントラップが唯一の固ており、今 後、世界 一 の 伝 送 能 力を実 証する定する方法でしたが、2001 年に東大の香取秀にはファイバの 敷 設環 境を改善することが必俊教授は特定の波長のレーザー光の干渉縞（光要不可欠になります。

ICT

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

ファイバ 線 が 空中に宙づりされたり鉄 道の近基盤技術

光原子時計は原子遷移に常にレーザー光がⅢ 未来る能 力をまず 確 認しました。ただし日本 では格子）に原子をトラップすれば、周波数シフトを௶ၡฆఒɈ

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231

Ⅳ

電磁波センシング基盤技術

誤差
万年に 秒 ／ 井 戸 哲 也

6,
500
1

図1

NICT-東大光ファイバリンクによる光格子時計周波数比較の模式図
武蔵野台地の上にあるNICT小金井本部は東大本郷キャンパスに比べて標高が56ｍ高い。

NICT- 東大光格子時計周波数比較

瞭に観測され、両地点の光 格 子時計が 同じ周波数を生成していないことが分かります。しかその後図 1 に示す構成で NICT と東大の光し、この周波 数 差は主に NICT、東 大の 56m格子時計の周波数比較を行いました。ストロンの標高差に起因しており較正することが可能でチウム光格子時計は波長 698nm の光周波数す。NICT に比べて標高が低く重力が大きい東標準信号を生成しますので、NICT（ 送信）側で大では一般 相対性理論が示唆するように時のまず光周波 数コム を利用して通信帯への波流れが遅くなっていますので同一時間で比較す

長 変 換を行い、その上で東 大へ向けて前述のると周波数が小さくなります。従って 2 地点の伝送システムを利用して信号を送出します。東標高差からこのシフト量は不確かさ 0.1Hz 以下

大側では受 信した光の 2 倍波をとって再び可で計算できます。そして最終的に NICT と東大視 域に戻し、この 2 倍波に東 大側の周波 数コの時計の較正不可能な原因不明の周波数差はムを位相ロックします。これによって、NICT の430THz のうちわずか 0.04± 0.31Hz（ 6,500

光格子時計にコヒーレントにリンクされた光周万年に 1 秒）となりました。周波数標準はいつ波 数コムが 東 大にて実現し、東 大の時計が生でもどこでもだれでも同じ周波数が得られるこ成する光周波数とこの周波数コムのビート周波とが必須です。この結果によって不確かさ 10 -16数を測定することにより 2 つの時計の相対的台で遠隔地にある時計との周波数一致が 初めな周波数差をリアルタイムに測定することが可て確認され、日本発の光格子時計の普遍性が能になります。図 2 に 1 秒ごとに得られた 2 つ確認されると同 時に、周波 数 標準を正確に遠の時計の周波数差を示します。NICT の時計の距離伝送する技術をも手中にしました。

＊3

周 波 数 が 3 ～ 4Hz 東 大 側より高 いことが 明232

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

図2

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

NICT及び東大の光格子時計の周波数差各 点は積算時間1秒で得られており、NICTの光格子時計は3.7Hzだけ東大より周波数が高い698nm光（430THz）を生成している。

Ⅰ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

今後の展望
Sr 光格子時計は 2006 年に東大の他筆者が在籍していた JILA＊4（米国 NIST/ コロラド大学）
で時計動作を開始した後、現在では NICT・仏独の国立Ⅱファイバを利用して NICT−東大間で 16 桁の周波数同一性が確認されましたが、秒の再定義を確実なものとするには時計自体のさらなる高性能化と共に、光ファイバ接続が困難な欧米の光格子時計との周波数一致を確認する必要があります。これを時と日本標準時の時刻差測定で使用している人工VLBI 技術を用いた新たな時刻比較技術の開発により、大陸間規模での時刻・周波数比較精度向上
時計についても、光格子時計と同等もしくはそれ以上の性能が得られることが NIST によって研究室内相互比較で確認されており、NICT ではこの方式についても NISTとは異なったアプローチでインジウムイオンによる原子時計の開発を進めています。

＊2

単一イオントラップ方式

イオンをたった 1 個電場によってトラップしてそのイオンの吸収線を利用して時計レーザーを安定化する方式。イオンの電場による束縛では上下状態が同じ閉じ込めポテンシャルを感じるた
め電場の影響によって遷移周波数がシフトすることがありません。なお、一般に複数個をトラップすると近傍のイオンによって生じる不規則な電場のために周波数シフトが起きてしまいます。

＊3ICT

光周波数コムパルスレーザーは、周波数スペクトルを見ると等間隔の周波数成分が存在する櫛状のスペクトルとなっているため、光周波数コム（optical frequency comb）と呼ばれます。一般にこの櫛スペクトルは位相雑音が少ない、非常に安定に動作するパルスレーザーにおいて得られます。

＊4

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術を追求しています。また、イオントラップ方式の原子

マイクロ波遷移

原子遷移としては小さいマイクロ波のエネルギー差を持つ原子遷移のこと。通常マイクロ波域の原子遷移は核スピン・電子のスピン間のごく弱い相互作用によって生じる 2 つの状態間を結ぶ遷移になります。

基盤技術

衛星を利用した周波数・時刻比較技術の展開及び用語解説
＊1

Ⅲ 未来

見据えて時空標準研究室では、現在、世界の標準ユニバーサルコミュニケーション基盤技術標準研究所においても運用されています。今回光

JILA

国立標準技術研究所（NIST: National Institute of Standardsand Technology）とコロラド大学の共同機関௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

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