「瞬かない」原子時計へ　東大・理研ら、原子のベルトコンベヤーで1.2ヘルツ幅の分光を実証

世界最高精度の時計とされる光格子時計が抱える「デッドタイム（測定の空白時間）」の問題に対し、東京大学と理化学研究所などの研究チームが新たな計測方式を発表した。極低温のストロンチウム原子を光のベルトコンベヤーで運び続けながら、フーリエ限界に迫る1.2 Hz幅の時計遷移スペクトルを観測したもので、測定の空白時間をなくす「ゼロデッドタイム動作」への道を開く成果となる。2030年に想定される「秒」の再定義に向けて、連続稼働できる光時計の実現につながる一歩だ。

■デッドタイムはこれまで避けられない問題だった

世界で最も正確な原子時計には、その精度を示す数値では決して触れられない構造的な弱点がある。それは「瞬き」をすることだ。地球上のあらゆる計量研究所で稼働しているすべての光格子時計は、原子のロード、冷却、量子状態の準備など、何も測定していない時間がかなりの割合を占めている。その間、安定化させるべき時計レーザーは監視されず、補正されないままドリフト（変動）している。時計は測定ウィンドウの間だけ極めて高い精度で時間を測定するが、そのウィンドウの外では、真空チャンバー内に置かれた高価なレーザーに過ぎない。この現象は「原子時計のデッドタイム」という正式名称を持ち、時計の性能に現実的な影響を及ぼしている。

東京大学大学院工学系研究科、理化学研究所（理研）光量子工学研究センター、日本電子株式会社（JEOL）の研究チームは、この空白時間をなくす道を開く実証結果を発表した。2026年8月6日付でNature Communications誌に掲載された論文で、西田光輝氏、竹内亮人氏、辻成悟氏、岡場翔一氏、香取秀俊教授らの研究チームは、移動光格子を「原子のベルトコンベヤー」として用い、レーザー冷却されたストロンチウム原子を連続的に運びながら、上流で原子を準備し、下流で読み出しを行うのと同時に、時計遷移を高い分解能で測定（分光）できることを示した。その結果、理論的なフーリエ限界に迫る1.2 Hzのスペクトル線幅を観測し、時計レーザーが監視対象の原子を失うことは一度もなかった。

光格子時計における測定の空白期間は「デッドタイム」と呼ばれ、性能への影響は「ディック効果」としてよく知られている。1987年にこれを特定したG・ジョン・ディックにちなんで名付けられたディック効果は、測定と測定の間の周期的な空白期間に、時計レーザーの周波数ノイズが時計の出力に折り返し雑音（エイリアシング）として混入する現象を説明するものだ。1サイクルあたりのデッドタイムが長いほど、エイリアシングは悪化し、時計の安定性は理論上の上限から低下していく。

この問題は決して小さくない。香取氏自身が2011年にNature Photonics誌のレビューで書いているように、ディック効果は光格子時計において「より高い安定性を達成するための最大の障害」となっていた。なぜなら、これらの時計の量子投影ノイズ（原子ベースの測定におけるショットノイズ相当の下限）が非常に低いため、現在ではデッドタイム中のレーザードリフトによるノイズが支配的になっているからだ。これを抑制する従来のアプローチでは、非常に長いレーザーコヒーレンス時間（巨大で防振された光共振器が必要）か、逆位相でタイミングを合わせた2つの交互の原子集団のいずれかが必要だった。これらのアプローチは実験室で優れた結果をもたらしたが、複雑さと巨大さを伴う。

2025年12月のPhysical Review Letters誌の論文では、ストロンチウム87原子の2つの集団を交互に使用するデッドタイムゼロの時計が実証され、1日の平均時間で10⁻¹⁹台の相対周波数不安定性を達成した。これは単一集団の設計に比べて9倍の改善である。香取グループのアプローチは、この問題に別の角度から取り組んでいる。固定された格子内で2つの静的な集団を使用するのではなく、常に移動している単一の格子を通して原子の連続的な流れを使用するのだ。これら2つの戦略は、異なるアーキテクチャを通じて同じ問題を解決するものであり、コンパクトさやフィールド展開への影響も異なる。

■「原子のベルトコンベヤー」の仕組み

香取グループが実証したアーキテクチャは、その中核となる原理において、時間ではなく空間における分業である。従来の光格子時計が、原子のロード、量子状態の準備、時計レーザーによる励起、状態の検出を同じ場所で順次行うのに対し、この設計では、流れる原子の経路（流路）上の異なる場所でこれら4つの操作を同時に行う。

磁気光学トラップで冷却された原子は、移動光格子（向かい合うレーザー光の周波数にわずかな差をつけ、格子状の閉じ込め位置そのものを動かす技術。ここでは16 mm/sで移動し、コンベヤーとして機能する）にロードされ、装置の一端から他端へと運ばれる。原子の各バッチがベルトに沿って移動する際、空間的に分離された3つのゾーンを通過する。第1のゾーンでは原子が正しい量子状態に準備され、第2のゾーンでは時計レーザーが0.75秒間にわたって時計遷移を励起し、第3のゾーンでは蛍光イメージングによって状態分布が読み出される。第3ゾーンで以前に測定されたバッチが読み出されている間、常に新しい原子のバッチが第1ゾーンに入っており、時計レーザーの測定ウィンドウから原子がなくなることはない。

これまでこのアーキテクチャを非実用的にしていた工学的な問題は、ドップラー広がりだった。原子の移動方向と同じ軸に沿って時計レーザーを照射する（論文では「縦励起」と呼んでいる）と、通常は壊滅的なスペクトルのにじみが生じる。移動する格子内の異なる位置にある原子は、レーザーに対して異なる速度を持つため、異なるドップラーシフト周波数を経験するからだ。従来は原子流と直交する方向からレーザーを当てる「横励起」が基本だったが、この解決策は、ラム・ディッケ束縛と呼ばれる量子力学的な状態にある。

時計レーザー光の波長よりも空間的な広がりがはるかに小さい格子ポテンシャルの井戸に原子が強く閉じ込められている場合、原子はドップラーシフトを蓄積することができない。強い閉じ込めの物理が運動との結合を抑制するのだ。チームはこれを利用した。移動光格子内の原子は、格子自体が移動していてもラム・ディッケ束縛の条件を満たすため、縦方向の時計レーザーは各原子をレーザー波長に対して実質的に静止していると見なし、スペクトル線はシャープなまま保たれる。

コンベヤーに沿った局所的な磁場領域が励起ゾーンを定義する。使用されるストロンチウムの時計遷移（通常はレーザーではアクセスできない「禁制」遷移）は、長さ12 mmの狭い空間ストリップ内で量子状態を混合する磁場によって開かれる。このストリップの上流では原子が準備され、下流では画像化されている。時計レーザーが遷移を駆動するのは、このストリップ内のみである。相互作用が時間ではなく場所によって区切られている点が、この方式の要となる。

この空間配置により、時計レーザーは測定期間を通じて原子を継続的に監視し、あらゆる瞬間に自身の周波数ドリフトを補正できるようになる。これが、測定の空白時間をなくす「ゼロデッドタイム動作」への道を開く。

■空間的ラビ縞と1.2 Hzの線幅

原子は12 mmの励起ゾーンで予測可能で固定された時間（16 mm/sで0.75秒）を過ごすため、通常は時間領域のラビ振動パターン（共鳴状態で駆動される時計遷移を特徴付ける、基底状態と励起状態の間を周期的に行き来する振動）が、空間分布に直接マッピングされる。励起ゾーンに6 mm移動した原子は0.375秒間時計レーザーと相互作用しており、12 mmの位置にある原子は0.75秒間相互作用している。その結果生じる励起状態ポピュレーションの周期的な変動は、原子雲の画像において空間的な縞模様として視覚化される。これは時間ではなく空間における振動だが、従来のラビ測定と同じ位相情報を含んでいる。

この空間パターンからスペクトル線幅を読み取ると、半値全幅で1.2 Hzと測定された。0.75秒の相互作用時間に対するフーリエ限界（有限時間の分光法に適用される量子力学的な不確定性原理によって設定される理論上の最小線幅の目安）は約1.33 Hzである。1.2 Hzという結果はこの単純な見積もりに迫る水準であり、移動する原子を用いるアーキテクチャが、同じ相互作用時間の静的なパルス時計と比べて余分なスペクトル劣化をもたらしていないことを示している。

約429テラヘルツのストロンチウム時計遷移周波数（レーザー波長698 nmに相当）において、1.2 Hzの線幅は約3.6 × 10¹⁴のQ値（品質係数）に相当する。これは、微小な周波数シフトを分解する時計の基本的な能力を決定する、中心周波数と線幅の比である。これは精度の記録ではない。既存の多くの静的光格子時計は、同等かそれ以上のQ値を達成している。この結果の意義は、Q値そのものではなく、測定を中断することなく連続的に流れる原子の流れからそれが達成されたことにある。

■2030年の「秒」再定義において連続稼働が重要な理由

世界の計量コミュニティは2010年代後半からSI秒の正式な再定義に向けて取り組んでおり、国際度量衡局（BIPM）の時間周波数諮問委員会（CCTF）は、2022年の国際度量衡総会（CGPM）において2030年を望ましい目標時期として設定した。今年後半に予定されている2026年のCGPM会議では、明確なロードマップを伴う正式な提案が提示されると予想されており、バックアップシナリオとしては再定義を2034年に延期することになっている。

あまり報じられていないが、CCTFのロードマップには、単なる精度を超えた光時計の具体的な運用要件が含まれている。その中には、10⁻¹⁸レベルで秒の独立した実現を継続的に比較する能力や、単発の測定キャンペーンではなく継続的なベースで国際原子時（TAI）の校正に貢献する能力が含まれる。継続的に稼働し、レーザーの監視を決して放棄しない時計は、測定とデッドタイムを繰り返す時計よりも、構造的にこの運用要件を満たすのに適していると考えられる。

香取グループの結果は、時計をより正確にするだけでなく、CCTFのロードマップが実際に要求する方法で継続的に運用可能にするための具体的な技術的障壁の1つを取り除くものだ。パルス光格子時計は、その測定ウィンドウ内ではどれほど正確であっても、デッドタイムゼロのアーキテクチャが可能にするような継続的なレベルでTAI校正に貢献することはできない。

理化学研究所と島津製作所は2026年5月12日、神奈川県川崎市でBIPMと協力覚書に署名し、秒の再定義の候補となる光周波数標準の研究と実証試験で協力することになった。理研光量子工学研究センターの時空間エンジニアリング研究チームでチームディレクターを務める香取氏は、理研の五神真理事長、島津製作所の西本尚弘CTO、BIPMのアンネット・クー局長とともに署名式に出席した。産業技術総合研究所 計量標準総合センター（NMIJ）もこの協力に関与しており、他の国家計量研究所にも門戸が開かれている。

■実験室の装置からフィールドセンサーへ：デッドタイムゼロがもたらす変化

香取氏が東京大学で20年以上にわたって率いてきた研究プログラムは、極限の精度と実用的な展開可能性という2つの並行する目標を一貫して追求してきた。島津製作所が2025年3月5日に発売した商用ストロンチウム光格子時計「Aetherclock OC020」は、展開可能性のトラックの現状を示している。価格は5億円で、装置のサイズは幅114 cm、高さ108.3 cm、奥行き65 cm（大型家電程度の大きさ）であり、10⁻¹⁸レベルの相対周波数不確かさを達成している。島津製作所は、国内外の市場で3年間で10台の販売目標を設定している。

デッドタイムの問題は、実験室の時計にとって単なる安定性の問題ではない。それはフィールド展開のためのインフラストラクチャの問題でもある。パルス時計におけるディック効果を抑制するには、測定の空白期間中にレーザー周波数を安定させるために、歴史的に極めて大きく熱的に隔離されたレーザー共振器が必要だった。レーザーを継続的に監視する時計は、原理的にはよりシンプルな安定化ハードウェアを使用できる。つまり、より小型で軽量な装置となり、山腹に運んだり、地殻変動監視ステーションに配備したりすることがより現実的になる。

2025年11月に開催されたBIPMの創立150周年記念科学会議での香取氏の基調講演では、実際の環境で重力ポテンシャルの違いを検出できる相対論的センサーとしての時計という長期的なビジョンが語られた。香取氏は、光時計がフィールド展開可能な精度を達成したときに可能になる地球物理学的モニタリングの例として、2011年の東北地方太平洋沖地震後の時計ベースの地盤隆起測定を挙げた。

そのメカニズムは相対論的測地学である。アインシュタインの一般相対性理論によれば、より強い重力場では時間の進み方が遅くなるため、標高の低い場所にある時計は、標高の高い場所にある同じ時計よりも測定可能なほどゆっくりと時を刻む。10⁻¹⁸の相対不確かさに敏感な光時計は、約1 cmの高さの違いに相当する重力による時間の遅れを検出できる。このような時計を継続的に使用すれば、ゆっくりとした地殻変動、地下水位の変化、または火山の膨張などを、基準に対する時計の進み方の変化として監視できる。衛星も測量チームも必要ない。

■原子のベルトコンベヤーがまだできないこと、そして今後の展開

今回の論文はアーキテクチャの実証であり、完全な運用可能な光格子時計ではない。現在の実験では、最高精度の時計ではあまり使用されないボース粒子（ボゾン）である同位体、ストロンチウム88を使用している（最高精度の時計では、系統的シフトの制御が容易なフェルミ粒子の同位体、ストロンチウム87が好まれる）。1.2 Hzの線幅という結果は、連続フローアーキテクチャが時計レベルの測定とスペクトル的に互換性があることを確認するものだが、チームは流れる原子システムからの10⁻¹⁸レベルでの完全な系統的不確かさの評価をまだ実証していない。これは、連続フローの結果がTAI校正に貢献できるようになる前に必要なステップである。

この論文は、同じグループによる2つの以前のマイルストーンの系譜をたどっている。1つは、連続動作する光時計に向けて原子の縦ラムゼー分光を提案した、Applied Physics Express誌における香取氏の2021年の理論的提案であり、もう1つは、交差する移動光格子を使用した連続的な超低温原子ビームの生成を実証した、Physical Review Applied誌の2024年の論文である。今回の結果は、これら両方の開発を組み合わせて、連続的な原子源からのほぼフーリエ限界の分光を実際に機能させたものである。光格子内の途切れることのない原子の流れから、時計品質の線幅が達成されたのはこれが初めてである。

東京大学のプレスリリースでは、今後の展望として、レーザーを安定に保つための大型装置への依存を減らすことによる光格子時計の小型化と、フィールド運用を広げて重力場や地殻変動などを高精度に捉えるセンシングへの応用が挙げられている。科学技術振興機構（JST）は、未来社会創造事業 大規模プロジェクト型「クラウド光格子時計による時空間情報基盤の構築」（JPMJMI18A1）を通じてこの研究を支援しており、香取氏が研究開発代表者を務めている。日本電子株式会社（JEOL）は共同研究に参画する産業界のパートナーであり、商業的な軌道は島津製作所を通じている。

2030年のSI秒再定義のタイムラインを注視している世界の計量コミュニティにとって、今回の結果はリーダーボードに追加される精度の記録ではない。それは、継続的な計時に必要な運用アーキテクチャ（発電所が発電機を稼働させるように、時計を止めることなく稼働させる能力）が、光格子の枠組みで達成可能であることを示す実証である。時計は瞬きをしないことを学びつつある。

■注目ポイントQ&A

●光原子時計における「デッドタイム問題」とは何ですか？また、なぜそれが重要なのですか？

従来の光格子時計はすべて、原子のロード、冷却、量子状態の準備、時計レーザーによるプローブ（測定）、結果の読み出し、そして繰り返しというサイクルで動作します。実際に原子がレーザーの周波数を測っているのはプローブのステップのみで、それ以外の間はレーザーは補正されずに自由にドリフトします。この空白期間はデッドタイムと呼ばれ、ディック効果として知られる安定性の低下を引き起こします。つまり、空白期間中にレーザーの高周波ノイズが時計の出力に混入し、時間の経過とともに時計の安定性が制限されるのです。デッドタイムを抑制するには、歴史的に2つの交互の原子集団（複雑でかさばる）か、超安定レーザー共振器（高価で部屋サイズの大きさ）が必要でした。香取グループの連続フローアーキテクチャは、移動する原子の流れに沿った異なる場所で準備、測定、検出を同時に実行することで、デッドタイムをなくす「ゼロデッドタイム動作」への道を開くものです。

●SI秒の再定義はいつ予定されていますか？また、時計の連続稼働はそれとどう関係していますか？

国際度量衡局（BIPM）の時間周波数諮問委員会（CCTF）が調整する世界の計量コミュニティは、1967年のセシウムマイクロ波による秒の定義を光周波数標準に置き換えるための望ましい時期として、2030年の国際度量衡総会（CGPM）を目標としています。CCTFのロードマップでは、候補となる光時計が10⁻¹⁸の相対不確かさを達成すること（これはすでに達成済み）だけでなく、国際原子時（TAI）の校正に継続的かつ研究所間で比較可能な形で貢献できることが求められています。測定の空白期間なしに稼働する時計アーキテクチャは、測定と準備を繰り返すものよりも、この運用要件を満たすのに適していると考えられます。今回の論文は、光格子の枠組みで連続測定がアーキテクチャ的に達成可能であることを実証しており、再定義を2034年のバックアップシナリオに押しやりかねない技術的障壁の1つを取り除くものです。

●連続稼働する光時計は、パルス光時計にはできないどのようなことができますか？

ディック効果の抑制による安定性の向上にとどまらず、測定を止めない時計は、連続的な重力センサーとして機能することが期待されます。相対論的測地学（アインシュタインの一般相対性理論を時計の進み方の比較に適用すること）を通じて、10⁻¹⁸の相対不確かさに敏感な光時計は、基準時計に対する進み方の変化として、約1 cmの高さの違いを検出できます。連続して稼働させることで、このような時計は、地殻応力の蓄積によるゆっくりとした地盤変動を追跡したり、質量の再分配が局所的な重力場を変化させることによる帯水層の枯渇を監視したり、噴火前の火山の膨張を検出したりすることができます。これらのアプリケーションには継続的で途切れない監視が必要であり、デッドタイムゼロのアーキテクチャは、最高の計時と幅広い地球物理学的センシングの両方にとって不可欠な要件となります。

●この設計はコンパクトなフィールド機器にすることができますか？

まだできませんが、それがこの研究プログラムの明確な目標です。2025年3月に5億円で発売された商用の島津製作所「Aetherclock OC020」（静的パルス光格子時計）は、現在のコンパクトなフォームファクタ（大型冷蔵庫程度のサイズ）を示しています。今回の論文で実証されたベルトコンベヤー型のアーキテクチャは、よりシンプルなレーザー安定化（デッドタイム中のレーザードリフトを補償する大型共振器への依存を減らせる）への道を開き、ひいては装置のサイズと環境感度を低減させると期待されます。東大・理研のグループは、フィールド展開可能な連続光時計が長期的な目標であり、今回の結果はその目標に向けた基礎的なアーキテクチャの実証であると述べています。

元記事: Japanese Optical Lattice Clock Solves Dead-Time Blind Spot With Atom Flow