光格子時計

国際単位系の基本単位のひとつである時間の単位「秒」（SI秒）は，現在セシウム133のマイクロ波遷移に基づいて定義されています。近年，原子の光学遷移を利用した原子時計（光時計）の性能がSI秒を信号として取り出せるセシウム原子時計（セシウムのマイクロ波遷移を利用した原子時計）の性能を一桁以上上回ることが明らかになりました。このことを受け，セシウムのマイクロ波遷移から原子の光学遷移へのSI秒の再定義が現在検討されています。

私たちは光時計の有力な方式のひとつである「光格子時計」の研究開発をしています。光格子時計は東京大学の香取秀俊教授によって提案され，原理実証されました。光格子時計では，「光格子」と呼んでいる光の定在波に，レーザー冷却した原子集団を閉じ込めます。閉じ込めた多数の原子を同時に分光できるため，単一の原子を分光するのに比べて共鳴遷移を素早く同定することができます。

2006年10月，国際度量衡委員会（CIPM）はストロンチウム87の波長698 nmの光学遷移を秒の二次表現（SI秒の再定義の候補と認められた原子遷移のリスト）に追加することを決定しました。また，CIPMは各原子遷移の推奨周波数値を決定しています。NICTで開発されたストロンチウム光格子時計の測定結果は，2012年９月に開催されたCIPM以降，ストロンチウム87の光学遷移の推奨周波数値決定に貢献しています。

周波数標準として，さらにはSI秒の新しい定義として認められるには，どこでも同じ測定結果が得られる必要があります。これを実証するために，時空標準研究室では多くの異なる方法で遠隔地にある光時計とNICTのストロンチウム光格子時計の比較を実施しています。例えば，2011年の光ファイバーリンクを利用した東京大学のストロンチウム光格子時計との比較，2013年の静止衛星を利用したドイツ物理工学研究所（PTB，ドイツの国立計量研究所）のストロンチウム光格子時計とイッテルビウム単一イオン光時計との比較，2017年の同じく静止衛星を利用した韓国標準科学研究院（KRISS，韓国の国立計量研究所）のイッテルビウム光格子時計との比較があります。 2020年には，超長基線干渉計（VLBI）を利用して，イタリア国立計量研究所（INRiM）のイッテルビウム光格子時計と比較しました。このように，国内の近距離に留まらず，大陸間のスケールで遠隔地にある光時計の周波数の整合性を検証しています。

2016年，NICTは光時計を利用した連続時刻実信号の生成に世界に先駆けて成功しました。信頼性の高い連続運用を実現する水素メーザー原子時計を大元の信号に採用し，その出力周波数を光格子時計で計測して，その結果をもとに周波数調整することで，5か月間の試験運用の間，高精度な時刻実信号を生成しました。また，この運用期間，この時刻の刻み幅（歩度）は，協定世界時（UTC）の歩度よりもSI秒に近いことが示されました。そして，2021年からこの高精度時刻実信号生成を再開し，現在の日本標準時はこの光格子時計に基づいた時刻信号を参照することで，協定世界時などの他の標準時刻に依存しない自立した、かつ、高精度化された標準時刻として運用しつつあります。

2018年11月，NICTのストロンチウム光格子時計（NICT-Sr1）はフランスのパリ天文台のストロンチウム光格子時計に続いて，光周波数標準としては世界で二例目となる二次周波数標準（SI秒を実現するセシウム一次周波数標準（高精度セシウム原子時計）以外の原子遷移を用いた，協定世界時の校正が認められる周波数標準）に認められています。同年12月から，NICT-Sr1は協定世界時の基になる国際原子時（TAI）の校正データを国際度量衡局に報告することで，TAI校正，つまり国際標準時刻の維持及び高精度化に貢献しています。

1) H. Hachisu, N. Nemitz and H. Ito, 光格子時計を基準に刻む標準時刻, NICT News 494 4 (2022)

2) N. Nemitz, T. Gotoh, F. Nakagawa, H. Ito, Y. Hanado, T. Ido and H. Hachisu, Absolute frequency of ⁸⁷Sr at 1.8×10⁻¹⁶ uncertainty by reference to remote primary frequency standards, Metrologia 58 025006 (2021)

3) M. Pizzocaro, M. Sekido, K. Takefuji H. Ujihara, H. Hachisu, N. Nemitz, M. Tsutsumi, T. Kondo, E. Kawai, R. Ichikawa, K. Namba, Y. Okamoto, R. Takahashi, J. Komuro, C. Clivati, Filippo Bregolin, P. Barbieri, A. Mura, E. Cantoni, G. Cerretto, F. Levi, G. Maccaferri, M. Roma, C. Bortolotti, M. Negusini, R. Ricci, G. Zacchiroli, J. Roda, J. Leute, G. Petit, F. Perini, D. Calonico and T. Ido, Intercontinental comparison of optical atomic clocks through very long baseline interferometry, Nature Physics 17, 223 (2021)

4) N. Ohtsubo, Y. Li, N. Nemitz, H. Hachisu, K. Matsubara, T. Ido, and K. Hayasaka, Frequency ratio of an ¹¹⁵In+ ion clock and a ⁸⁷Sr optical lattice clock, Opt. Lett. 45, 5950-5953 (2020)

5) H. Hachisu, F. Nakagawa, Y. Hanado and T. Ido, Months-long real-time generation of a time scale based on an optical clock, Sci. Rep. 8 4243 (2018)

6) M. Fujieda, SH. Yang, T. Gotoh, SW. Hwang, H. Hachisu, H. Kim, YK. Lee, R. Tabuchi, T. Ido, WK. Lee, MS. Heo, CY. Park, DH. Yu and G.Petit, Advanced Satellite-Based Frequency Transfer at the 10^-16 Level, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr., Freq. Control 65 973 (2018)

7) H. Hachisu, G. Petit, F. Nakagawa, Y. Hanado and T.Ido, SI-traceable measurement of an optical frequency at the low 10⁻¹⁶ level without a local primary standard Opt. Express 25, 8511 (2017)

8) H. Hachisu, G. Petit and T. Ido, Absolute frequency measurement with uncertainty below 1×10^-15 using International Atomic Time, Appl. Phys. B 123, 34 (2017)

9) H. Hachisu and T.Ido, Intermittent optical frequency measurements to reduce the dead time uncertainty of frequency link, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 112401 (2015)

10) T. Ido, 光格子時計の遠隔地間直接比較 (Direct comparison between distant optical lattice clocks), 応用物理学会誌 84巻　第3号　(2015)

11) H. Hachisu, M. Fujieda, S. Nagano, T. Gotoh, A. Nogami, T. Ido, S. Falke, N. Huntemann, C. Grebing, B. Lipphardt, C. Lisdat and D. Piester, Direct comparison of optical lattice clocks with an intercontinental baseline of 9000km, Opt. Lett. 39 4072 (2014)

12) T. Ido and M. Fujieda, 時刻・周波数標準の遠距離比較・伝送技術の現状と将来 (Status and future of long-distance comparisons and transmission technology for time and frequency standards), 日本物理学会誌　68巻第4号 (2013)

13) A. Yamaguchi, N. Shiga, S. Nagano, Y. Li, H. Ishijima, H. Hachisu, M. Kumagai and T. Ido, Stability transfer between two clock lasers operating at different wavelengths for absolute frequency measurement of clocks transition in ⁸⁷Sr, Appl. Phys. Express 5, 022701 (2012)

14) A. Yamaguchi, M. Fujieda, M. Kumagai, H. Hachisu, S. Nagano, Y. Li, T. Ido, T. Takano, M. Takamoto and H.Katori, Direct Comparison of Distant Optical Lattice Clocks at the 10^-16 Uncertainty, Appl. Phys. Express 4 082203 (2011)