正確に同期された時計が新しい科学への道を開く

Nov 03, 2023

17 世紀の振り子時計から原子遷移に基づいた最先端のクロノメーターまで、人間の時間を刻む能力は劇的に進化しました。 研究者らはさらに一歩進んで、これまで必要とされていたよりも大幅に少ない電力で、数百キロメートルの距離にわたって 2 つの時計を絶妙に同期できることを示しました。 この進歩により、地上と宇宙の同期した時計のネットワークを構築する道が開かれ、地球の構造の測地調査や暗黒物質や重力波の探索が容易になる可能性がある。

「これだけの桁があると、かなり面白いですね。」

おそらくエリートアスリートを除いて、ほとんどの人は、1秒未満の時間について考えません。 しかし、コロラド州ボルダーにある国立標準技術研究所の物理学者であるローラ・シンクレアは、フェムト秒というまったく異なる時間の領域に定期的に関心を持っています。 1 フェムト秒は、10 億分の 1 (兆分の 1) 秒、つまり小数点以下 15 桁です。 シンクレア氏によると、コンピュータープログラムですら、そのレベルの精度を扱うのが難しい場合が多いという。 「これだけの桁があると、かなり面白いですね。」

シンクレアと彼女の同僚は現在、レーザー光のパルスを使用して、2つの時計をアト秒（フェムト秒のさらに短い兄弟）レベルまで正確かつ効率的に同期させる実験をハワイで実施した。

別の研究者チームは最近、113キロメートルの距離にわたって同様のリンクを実証したが、彼らの実験にははるかに大量の電力と、大気の乱流を補償する特殊な機器が必要だった。

新しい実験では、シンクレアとその共同研究者らは、ハワイ島のマウナロア北側の大気研究基地であるマウナロア天文台で作業を行った。 研究チームは、マウイ島のハレアカラ山頂にある小型望遠鏡に向けて、1秒間に2億回の光パルスを生成する2つのレーザーを発射した。 望遠鏡の改良された光学系は、光を反射して往復約 300 キロメートルのマウナ ロアに戻し、シンクレア氏と同僚たちは、非常に正確な時計の「カチカチ音」のように機能する個々のパルスの到着時間を記録しました。

マウナケア近くの天文学者と同様に、研究者たちは主に夜間にデータを収集しました。 しかし、シンクレアさんと同僚たちが避けたいと思っていたのは太陽光ではなかった。 代わりに、チームは雲を回避しようとしました。 毎朝、雲はマウナロア天文台の標高（約3,400メートル）まで上昇し、午後5時から10時の間に最終的に天文台の下に沈む傾向がある。微弱なレーザー光線は雲には敵わないとシンクレア氏は語った。 「近赤外線レーザー光線を止めるには、150 キロメートルの雲があれば十分です。」

研究者らは、2 つのレーザーの出力を 0.32 フェムト秒 (320 アト秒) の精度で同期させました。 これは、別のアプローチで達成される精度に匹敵しますが、シンクレアとその共同研究者が使用したレーザーの出力はわずか 270 フェムトワット、つまり 10 億分の 2 億 7000 万ワットです。 以前は数十ナノワットの電力が必要であったため、これらの新しい結果は、電力使用量が約 10,000 倍改善されたことを意味します。

「ここで本当に印象的なのは、消費電力がいかに少ないかということです。」

いわゆる量子の限界に近づくその効率により、より小型のハードウェアを使用して時刻を同期することが可能になります。これは、地上の時計と地球のはるか上の軌道にある時計をリンクするために不可欠な進歩です。

この進歩は、シンクレアと彼女の同僚が開発した、時間プログラム可能な周波数コムとして知られる機器によって可能になりました。 シンクレア氏によると、この装置はレーザーのパルス速度を変更するという。 「出力時間と位相をアト秒レベルの精度で動的に調整できます。」 これにより、研究者らは、以前のように光の大部分を破棄するのではなく、受け取った光のすべてを使用してパルス信号を同期できるようになりました。 実験で光が無駄になると、より多くの光子を送信する必要があり、それには電力が必要になります。 シンクレアと彼女のチームは、その結果を Nature 誌に報告しました。