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【第151回】 2019年3月7日 週刊ダイヤモンド編集部 ,小栗正嗣 ：週刊ダイヤモンド編集部論説委員
時間の歪みが観測できる！日本発「光格子時計」の衝撃
「光格子時計」 香取秀俊／東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻教授
香取秀俊（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻教授）
Photo by Yoshihisa Wada
香取秀俊は「光格子時計」の発明者である。光格子時計とは、特別な波長のレーザー光で作ったごく小さな格子の入れ物に、100万個ものストロンチウム原子を入れ、それぞれの原子の振り子の振動数を同時に観測することで、驚異的な精度を実現する時計だ。
私たちの生活を支える「秒」の単位には基準がある。かつては地球の自転速度から決められたが、1967年に英国でセシウム原子時計が発明されてからは、これが物差しとなった。
セシウム原子の精度は、発明当時に10桁（10のマイナス10乗）、その後の進歩で15桁という精度となっている。6000万年に1秒ずれる計算になる。
これでも十分な精度に思えるが、光格子時計が刻むものはレベルが違う。精度は18桁、ずれは300億年に1秒という、まさに超が付く高精度なのである。
この時計という道具の革新は、さまざまな分野で、大きなインパクトをもたらす。
未開拓の道を選んで歩き
「魔法の波長」を発見
香取が光格子時計のアイデアを初めて披露したのは、2001年に英国で開かれた原子時計の国際会議でのことだった。7年に1度しか開かれない、原子時計研究の重鎮が集う国際会議だ。
この当時の王道を行く先端研究は、捕まえた単一イオンを見る原子時計「単一イオン時計」だった。「次世代の原子時計はこれで決まり」と多くの研究者がこのテーマを追い掛けていた。
博士課程修了後の94〜97年、香取がポスドク（客員研究員）として籍を置いていたドイツのマックスプランク量子光学研究所もしかりだ。
世界の俊英が集うこの研究所では、毎週のようにセミナーが開かれ、世界のトップの研究者が最新の研究成果を披露し、情報交換に躍起になっていた。
97年に日本に帰った香取は、彼我の差に頭を抱えた。最先端研究である単一イオン時計を日本で研究しても、はなから勝負にならない。全く太刀打ちできない。
こうなれば、人がやらないような研究で「人の行く道の裏」を行くしかない。誰も分け入らないようなルートで山に登るしかない。
日本に帰国後、参加した五神真・現東京大学総長のERATO（創造科学技術推進事業）プロジェクトでも、未開拓の分野へのチャレンジを自らに課した。
それが光格子時計で大きな役割を果たすことになる「魔法波長」の発見につながった。
光格子時計では、レーザー光の干渉でできる光の格子に、原子を閉じ込める。そのとき、一般的には原子のエネルギーが変化し、時計の性能が低下してしまう。
しかし、特定の波長のレーザー光を使って原子を閉じ込めると、原子が吸収する光の振動数はその影響を受けないことを発見した。この波長が「魔法波長」だ。
原子時計の重鎮たちが集った国際会議に話を戻そう。香取が初披露した光格子時計に対する反応は微妙なものだった。原子時計研究の王道からすれば“突拍子もない”とあって、「実現させるのは難しいのでは」「面白いではないか」と評価は相半ばした。
ところが、その直後に若手研究者対象の戦略的創造研究推進事業さきがけの資金を得て、光格子時計づくりに着手するや、03年には早くも魔法波長の測定に成功。突拍子もないはずの光格子時計の基盤は、とんとん拍子で整った。
そこからは様相が一変。米国、欧州などの研究者チームが続々と研究を始め、今、世界で30近くのグループがより高精度の光格子時計づくりとネットワークづくりを目指し、しのぎを削っている。中国も割って入り、うかうかしていられない状況だ。
ゆがみの精密測定で分かる
地下で何が起こっているか
現在のセシウム原子時計による秒の定義が、この10年ほどで光格子時計によって再定義されるのはほぼ間違いない。この革新的な道具を使うことによって、さまざまなことが可能になる。
香取がすでに始めているのは、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論の検証だ。相対論は、重力は空間と時間をゆがめるとする。そのゆがみが確認できるというのである。
重力が強い所、つまり低い地点では時間がゆっくり進むとされている。高い地点と低い地点では、その重力差から時間のずれが生まれる。それを光格子時計で測定し逆算することで、二つの地点の高低差を測ることができる。
香取らのグループは16年、約15キロメートル離れた東京大学と理化学研究所の光格子時計を光ファイバーで結んで比較し、センチメートルレベルで標高差を計測することに成功している。
18年には高さ450メートルの東京スカイツリーの展望台に小型化した光格子時計を設置し、地上に比べてどれだけ時間が速く進むのかという検証も始めた。
光格子時計は時計の概念を変えるかもしれない。時間を計り、確認し合うための道具から、時空のゆがみを利用した全く新しい道具に生まれ変わり得る。
例えば、火山活動や地震による地殻変動などによる標高差のリアルタイムの変化、質量分布の変化を測定することで、見えない地球の内部で何が起こっているのかつかむセンサーになるかもしれない。地下のマグマの位置だけでなく、地下資源を探ることも可能だろう。
小型の光格子時計がネットワーク化されることで、自動運転などのインフラ環境が飛躍的に高まる未来も想像できる。日本電信電話、島津製作所などと共同で時空間情報の共通プラットフォームを構築する未来社会事業プロジェクトも動きだした。
全く新しい時空のインフラが登場する日は、そう遠くはない。（敬称略）
（「週刊ダイヤモンド」編集部 小栗正嗣）
【開発メモ】ストロンチウム光格子時計
下の写真は、18桁の精度で1秒を刻むストロンチウム光格子時計の本体。光格子という光の波長よりも小さな籠状の入れ物を多数作り出し、そこに100万個の原子を閉じ込めて同時に観測する。例えば、東京と九州の時計をつなげて実験すると、潮汐の効果によって6時間に14cm、東京と九州が相対的に上下するのが見えるはずである。
https://diamond.jp/articles/-/196028
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