International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

本論文は、光ファイバネットワークを介して欧州の4つの計量研究所にまたがる7台の光学時計を2か月にわたり比較し、周波数比の不確かさを$7.7\times10^{-18}$という低さまで達成するとともに、将来のSI秒の再定義に向けた重要なデータを提供したことを報告するものである。

要約

世界で最も完璧な時計を持っていると想像してください。これらは標準的な腕時計ではなく、宇宙の年齢全体を通じてわずか 1 秒しか遅れも進みもしないほど極めて正確に刻む「光時計」です。科学者たちは各国でこれらの驚異的な時計を構築してきましたが、長らくイタリアの時計がドイツやイギリスの時計と全く同じ速度で刻んでいるかどうかを確認できませんでした。

この論文は、2023 年初頭に開催された大規模な 2 ヶ月間の「時間計測オリンピック」の成績表のようなものです。以下に、その出来事を簡単に説明します。

仕組み：高速な時間移動ネットワーク

通常、異なる国にある 2 つの時計を比較するには、科学者は衛星（GPS など）を使用します。しかし、衛星を使うことは、風が強い峡谷を越えて叫んで 2 つの時計を比較しようとするようなもので、信号が少しぼやけ、比較は完全ではありません。

代わりに、これらの科学者はヨーロッパ全体に広がる巨大で超安定した光ファイバーケーブルネットワークを使用しました。このネットワークを光のための「超高速道路」と考えてください。彼らは（イタリア、フランス、ドイツ、イギリスの）4 つの主要な計量研究所をこれらのケーブルで接続しました。これにより、衛星のぼやけなしに、ある時計の「刻み」を直接別の時計へ送ることが可能になりました。

出場者：7 つの異なる時計

7 つの異なる時計がレースに参加しました。それらはすべて同じ方法で作られたわけではありません。

• いくつかは、単一のイオン（小さな浮遊するビー玉のようなもの）として閉じ込められたイッテルビウム（金属）を使用しました。
• いくつかは、「格子」（光で作られたハチの巣のようなもの）に閉じ込められたストロンチウムまたは水銀原子を使用しました。
• それらは異なる種類の「遷移」（原子がエネルギー準位を飛び移る方法）で動作しました。これは、異なる時計ブランドが異なる内部ギアを使用しているようなものです。

大きな成果：「双子」チェック

最も興奮すべき結果は、2 つの異なる国（1 つはイギリス、1 つはドイツ）で独立して構築された 2 つの時計を比較することから得られました。どちらも特定の非常に複雑な種類の刻み（「E3」遷移と呼ばれるもの）を使用するイッテルビウムイオン時計でした。

• 結果： それらは、極めて小さな誤差範囲（100 京分の 1 未満）内で完全に一致しました。
• 比喩： 異なる都市にいる 2 人の熟練の時計職人が、ゼロから時計を製作したと想像してください。彼らは時計を中立地帯へ送ります。それらを比較すると、針は髪の毛の幅の分数まで完全に同じ位置にあります。これは、異なる国で独立して構築された 2 つの光時計が、このレベルの精度で一致することが証明された初めての事例でした。

水銀時計：新たなチャンピオン

水銀を使用するフランスの時計も、スター選手でした。それはネットワーク内の他のすべての時計と比較されました。結果は、水銀時計が極めて安定しており信頼性が高いことを示し、その「刻み」がイッテルビウム時計やストロンチウム時計とどのように比較されるかについての、新しい極めて精密な測定値を提供しました。

なぜこれが重要なのか（論文によると）

この論文は、世界が現在「秒」を再定義しようとしていることを説明しています。現在、秒はマイクロ波時計（古い基準）によって定義されています。科学者たちは、これらの新しい超精密な光時計に切り替えたいと考えています。

しかし、秒の定義を変更する前に、世界中のすべての光時計が「秒」について一致していることを証明しなければなりません。パリの時計が「1 秒」をわずかに異なるものだと定義し、ロンドンの時計が異なる定義をしている場合、ルールを変更することはできません。

この実験は以下のことを証明しました：

1. ネットワークが機能する： 光ファイバーケーブルは非常に優れており、比較を乱しません。それらは測定に対して実質的に目に見えない存在です。
2. 時計が一致する： 異なる国で異なるチームによって構築された異なる種類の光時計は、すべて驚くべき精度で同じ時間を示しています。

システムの「不具合」**

論文はまた、ドイツにあるストロンチウム時計（1 つ）が「病気」を持っていたことに言及しています。それはレーザーの問題に影響を受け、時間がわずかにずれていました。科学者たちは事後にこれを修正できなかったため、主要な結果にはその最終数値を含めませんでした。しかし、彼らはそれでも、短時間では非常に安定していたため、他の時計の安定性を確認するためにそれを使用しました。

結論

この論文は、国際科学の勝利の巡行です。それは、ヨーロッパ全体に「時間の網」を構築したことを示しており、その精度はあまりにも高いため、ついに最良の時計がすべて同期していると信頼できるようになりました。これは、明日私たちが使用する「秒」が、今日私たちが構築した時計と同じくらい完璧であることを保証するための、時間そのものの公式な定義を更新するための重要な一歩です。

技術概要

「欧州光ファイバネットワークを用いた国際光時計比較」論文の詳細な技術的概要は以下の通りです。

1. 問題提起

光時計は、$10^{-18}$ レベル以下の分数周波数不確かさを達成し、現在のマイクロ波に基づく SI 秒の定義を上回る性能を有しています。しかし、決定的なボトルネックが残されています：これらの時計の国際的な一貫性を検証することです。

• 課題: 実験室内での比較は日常的に行われていますが、異なる国に存在する独立した光時計を比較することは困難です。これには、信頼性の高い長距離光ファイバリンク、複数の複雑なシステムの同期運用、および系統的不確かさ予算の調整が必要です。
• 目標: 光遷移に基づく SI 秒の再定義を検証するため、科学界は、異なる原子種および技術を用いて独立して開発された光時計が、国境を越えて $10^{-18}$ レベルで互いに一致することを証明しなければなりません。

2. 手法

著者らは、ヨーロッパの 4 つの国家計量研究所（NMI）が参加する2 ヶ月間の国際時計比較キャンペーン（2023 年 2 月 24 日～5 月 1 日）を実施しました。

• 研究所: INRIM（イタリア）、LNE-OP（旧 LNE-SYRTE、フランス）、NPL（英国）、PTB（ドイツ）。
• インフラ: 比較には、以下のリンクを接続する欧州位相安定化光ファイバネットワーク（REFIMEVE）が利用されました。
  • LNE-OP から NPL へ（785 km）
  • LNE-OP から PTB へ（1370 km）
  • LNE-OP から INRIM へ（1023 km）
• 対象時計（計 7 台）:
  • フランス（LNE-OP）: $^{199}\text{Hg}$ 光学格子時計（SYRTE-Hg）。
  • 英国（NPL）: $^{171}\text{Yb}^+$ イオン時計（E3 遷移）および $^{87}\text{Sr}$ 光学格子時計。
  • ドイツ（PTB）: 2 台の $^{171}\text{Yb}^+$ イオン時計（E3 および E2 遷移）と 1 台の $^{87}\text{Sr}$ 光学格子時計。
  • イタリア（INRIM）: $^{171}\text{Yb}$ 光学格子時計。
• データ解析:
  • 周波数比は、光ファイバリンクを介して時計の光周波数を比較することで計算されました。
  • 統計的不確かさは、日次ビンを用いて評価され、日次の散乱が期待値を超えた場合（過剰なノイズを示唆）、Birge 比によって増幅されました。
  • 系統的不確かさには、各時計の物理パッケージ、統計的ノイズ、および相対論的重力赤方偏移補正からの寄与が含まれました。
  • 共通の系統誤差（例：共通の基準時計）を考慮するため、すべての測定ペアに対して相関係数が計算されました。

3. 主要な貢献

• $10^{-17}$ 未満の国際検証の初達成: このキャンペーンは、$1 \times 10^{-17}$ 未満の不確かさで、2 台の独立して開発された光時計（$^{171}\text{Yb}^+$ E3）の国際比較を初めて達成しました。
• 大規模ネットワークの統合: 4 カ国にわたる 7 台の異なる光時計を 65 日間にわたり同時に運用することを成功裡に調整し、計量学における欧州光ファイバネットワークの成熟度を証明しました。
• 新たな周波数比: $^{199}\text{Hg}$ 時計と $^{171}\text{Yb}^+$ および $^{87}\text{Sr}$ 時計との周波数比に関する、初めての直接的な国際測定値を提供しました。
• データの透明性: 11 の周波数比、相関行列、不安定度データを含む包括的なデータセットを公開し、将来の SI 再定義努力のための基準となりました。

4. 主要な結果

• $^{171}\text{Yb}^+$（E3）の一致（NPL 対 PTB）:
  • 電気八重極（E3）遷移で動作する 2 台の $^{171}\text{Yb}^+$ 時計は、$7.7 \times 10^{-18}$ の不確かさ内で一致しました。
  • これは、不確かさが $2.8 \times 10^{-16}$ であった以前の GNSS ベースの比較（ROCIT 2022）よりも大幅な改善です。
  • この結果は、$10^{-18}$ レベルで独立して構築されたイオン時計の一貫性を確認するものです。
• $^{199}\text{Hg}$ 時計の性能:
  • LNE-OP の $^{199}\text{Hg}$ 時計は、$^{171}\text{Yb}^+$（E3）、$^{171}\text{Yb}$、および $^{87}\text{Sr}$ 時計と比較されました。
  • 結果は、2021 年の最小二乗調整から導出された基準値と $10^{-17}$ レベルで一致することを示しました。
  • このキャンペーンは、$^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ および $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$ 比に対する、新たな低不確かさの直接測定値を提供しました。
• $^{171}\text{Yb}$ 格子時計の一貫性:
  • INRIM の $^{171}\text{Yb}$ 格子時計は、PTB の $^{171}\text{Yb}^+$（E3）時計と $2.2 \times 10^{-17}$ 内で一致し、2022 年の ROCIT キャンペーンとの再現性を確認しました。
• 異常と不一致:
  • PTB-Sr3: この時計は（おそらく時計レーザーに起因する）周波数シフトを示しましたが、事後に補正できませんでした。そのため、その絶対周波数比は報告されませんでしたが、その不安定度データはネットワークの短期的性能を評価するために使用されました。
  • $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ の不一致: INRIM/NPL の $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ 比と、BACON 協力（NIST/JILA）による以前の測定値との間に $4\sigma$ の不一致が観測されましたが、RIKEN および新しい BACON データとは一致しています。これは、異なる原子種の比の一貫性における継続的な課題を浮き彫りにしています。

5. 意義

• SI 再定義への道筋: これらの結果は、SI 秒の再定義に向けた重要な一歩です。国際計量コミュニティが、不確かさを $10^{-18}$ に近づける形で国境を越えて光時計を信頼性高く比較できることを示しており、光遷移を新しい時間基準として採用するための前提条件を満たしています。
• 光ファイバネットワークの成熟: この研究は、欧州の光ファイバネットワークが、リンク起因の不確かさを無視できるほど小さく、複雑なマルチノード計量キャンペーンを支えることができる、堅牢で稼働率の高いインフラであることを証明しています。
• 計量学を超えて: ここで実証された技術は、より広範な科学的応用を支えます。
  • 測地学: 重力ポテンシャル差を測定するためのクロノメトリック・レベルリング。
  • 基礎物理学: 一般相対性理論の検証、ダークマターの探索、および基本定数の変動の検出。
  • 量子通信: 長距離量子鍵配送および電波望遠鏡への周波数分配の実現。

結論として、この論文は、独立した光時計が前例のない精度で国際的に比較可能であることを証明することにより、将来の「光秒」の実現可能性を検証した、世界計量学における画期的な成果を表しています。