Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

完璧な「刻み」をめぐる競争

時間を川だと想像してみてください。何世紀もの間、私たちはマイクロ波信号（GPSなどで使われているもの）に基づいた原子時計という、シンプルで信頼性は高いものの、少しふらつきのある筏（いかだ）を使ってその流れを測定してきました。これらの時計は優秀ですが、その安定性には限界があります。最近、科学者たちはマイクロ波の代わりに光を用いた「光学」時計を開発しました。これらの新しい時計は高速レースボートのようなものです。非常に高速かつ精密で、従来の時計よりも何十万倍も頻繁に刻みます。しかし、一つ問題があります。世界全体の公式な時刻となるような完璧なタイムスケールを維持するには、「フライホイール（弾力車）」、つまり、操舵装置（超精密な時計）が充電や校正のために休憩している間も、ボートをスムーズに動かし続ける安定したエンジンが必要です。

現在、私たちが持っている最高のフライホイールは、依然として古いマイクロ波の筏（水素メーザー）です。これらは頑丈ですが、短期的にはふらつきが大きすぎます。これは、たとえ超精密な光学時計を持っていたとしても、古いフライホイールがシステム全体を引きずり下ろし、時計の真の完璧さを隠してしまう「ノイズフロア」を作り出してしまうため、光学時計の力をフルに活用できないことを意味します。時刻計測の世界における大きな疑問は、「光そのもので作られた新しい種類のフライホイールを作れるか？」ということです。もしそれが実現すれば、最高の光学時計と同じくらい安定したタイムスケールを構築でき、秒の定義そのものを再定義できる可能性があります。これが、この論文の著者が取り組もうとした課題です。

全光式タイムマシン

この研究において、JILA、NIST、およびVector Atomicの科学者チームは、古い、ふらつくマイクロ波のフライホイールを使うのをやめ、極めて大胆な試みをすることに決めました。彼らは、完全に光のみで動作する3つの独立したタイムスケールを構築したのです。マイクロ波の水素メーサーに頼って時間の隔たりを埋める代わりに、彼らは3つの異なる「光学フライホイール」を使用しました。それは、2つの超低温シリコンキャビティ（シリコン製の鏡であり、揺れを止めるために絶対零度近くまで冷却されているもの）と、1つの商用ヨウ素光学時計です。

これらの光ベースのエンジンを軌道に乗せるために、チームは非常に信頼性の高いストロンチウム光学格子時計を「操舵装置」として使用しました。このマスタークロックが3つのフライホイールの速度をチェックし、同期を保つために微調整を行いました。チームはこの実験を20日間以上にわたって実施し、これら3つの全光式タイムスケールが互いにどれほど一致しているかを観察しました。

結果は、大きな前進となりました。3つのタイムスケールを比較した際、それらは驚くほど密接に一致していました。わずか数日間の平均化だけで、相対的な不安定性は$10^{-16}$を下回りました。これは、従来のメーサーベースのシステムでは数週間かかるレベルの精度です。さらに印象的なことに、20日間の全期間を通じた3つのスケールの総時間差は、100ピコ秒（0.0000000001秒）未満でした。例えるなら、映画を観ているとき、この誤差はあまりに小さいため、フレームが1枚抜けていることさえ気づかないレベルです。

また、研究者たちは、これらの光ベースの信号を、精度を損なうことなくラジオ信号（現在の電子機器で使用されるもの）に変換できることも示しました。光を電波に変換するプロセスによって加わる誤差は2ピコ秒未満であることが判明し、この新しいシステムが現行のテクノロジーと通信する準備ができていることが証明されました。

しかし、論文では、これがすべてを一晩で解決する魔法の杖ではないことにも注意を払っています。このシステムは、依然としてストロンチウム時計が操舵を行うために利用可能であることに依存しています。マスタークロックが休憩に入ったとき（一度に約6時間発生しました）、タイムスケールはわずかに乖離し、その空白期間ごとに約20ピコ秒の差が蓄積しました。しかし、こうした空白があったとしても、その性能は現在のテクノロジーで可能なレベルを遥かに凌駕していました。著者らは、光学フライホイールがより信頼性を増し、マスタークロックの稼働時間が長くなるにつれて、これらの全光式タイムスケールが将来の標準となり、最終的には古いマイクロ波ベースのシステムを完全に置き換える可能性があると示唆しています。

要するに、この論文は、完全に光の世界に存在するタイムスケールを構築することが可能であり、それは古いマイクロ波の手法では到底及びもつかないレベルの安定性を提供することを実証しています。これは、時刻計測の未来が、私たちが考えていたよりも少し明るく輝いているかもしれないということを示す、概念実証なのです。