科学研究 - 开发出300亿年仅误差1秒的光晶格钟，构建网络将其打造为下一代社会基础设施

时间的基本单位“秒”，原本根据地球自转的时长来确定。如今，“秒”则以铯原子振动为基准得到精确定义。能够生成精准时刻与频率的原子钟，已成为支撑高速大容量通信、人造卫星定位等现代社会运行的基干技术。东京大学研究生院工学系研究科的香取秀俊教授开发出了能以高出铯原子钟1000倍的精度测量时间的“光晶格钟”。他正通过构建光晶格钟网络并推动社会应用，使之成为新的社会基础设施。

香取秀俊
东京大学研究生院工学系研究科教授
自2018年起担任未来社会创造事业（大规模项目型）研发项目“利用云光晶格钟构建时空信息基础设施”的研发负责人

精密的时间测量是社会的基础
打造支撑定位与通信的时钟

在社会生活中，我们时时刻刻都在关注时间。搭乘交通工具、上课或参会、赴友人之约、预约就医等，做任何事都离不开时间。

回溯历史，最初“1秒”被定义为“一天长度的8万6400分之1”。而作为其基准的一天长度，其依据则使用了地球的自转周期与公转周期。然而随着科学进步，人们发现一天的长度存在误差与偏移。为此，为了以更高精度定义“1秒”，1967年采用了基于铯原子的“秒”的新定义。

铯原子钟以处于高度稳定状态下的铯原子能量状态略微提升时所需的微波频率（振动频率）为基准来界定1秒。铯原子钟拥有能精确测量到小数点后15位的精度，3000万年仅产生1秒的误差。

相比之下，东京大学的香取秀俊教授开发出了能以高于铯原子钟的精度测量时间的“光晶格钟”。其精度达到小数点后18位，计算后300亿年仅会偏移1秒。

话虽如此，为何需要以如此之高的精度来测量时间呢？

高精度时间测量技术已成为支撑高速大容量通信、人造卫星定位等现代社会运行的基础设施的根基。香取教授解释道：“回顾历史，精密时钟一直左右着航海、定位、通信等基础技术的发展。”例如，利用铯原子钟提供的精密时间信息运行的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统），大幅改变了人们的生活、商业活动以及社会基础设施的形态。

为尽快将最前沿的时间测量技术实用化并引入学术与产业领域，香取教授正在推进实现光晶格钟小型化、轻量化及稳定运行的技术研究。通过将光晶格钟以网络形式展开并实现社会应用，来构建新一代的超高精度时空信息通用平台。

以逆向思维提出的新原理
将测量时间缩短至百万分之一

香取教授发表光晶格钟原理是在2001年。当时，被认为最有望替代铯原子钟的新一代原子钟，是将冷却至接近绝对零度的单个离子捕获于电极之间、重复100万次测量后以18位精度测定振动频率的“单离子光钟”。

然而，业界认为，当时的单离子光钟即便能实现，但要达到18位的精度也需耗时长达10天。回忆当时，香取教授表示：“我想到，能否不靠观测1个离子10天（100万秒）来取平均，而是通过同时观测100万个原子1秒钟后取平均，从而实现18位的精度呢？”他构思出将电中性原子逐个禁锢于由被称为“魔法波长”的特殊波长激光所制成的、相当于微小容器的光晶格之中，并精密测量其振动频率的光晶格钟机制。原子则采用了冷却至接近绝对零度的锶。

香取教授在2001年的国际会议上发表这一设想时，当时被视作“Young man's game”（年轻人凭冲劲提出的不成熟构想），质疑其可行性的声音不在少数。然而，在2003年他的基础实验取得了成功，表明了光晶格钟的实现可能性。当时的光晶格钟精度虽然在15位左右，但此后历经十余年的技术打磨，最终实现了作为目标的18位精度。

实现18位精度的时钟后，香取教授最初着手的工作，是应用爱因斯坦广义相对论进行高程差测量。广义相对论将引力场表述为物质周围产生的时空畸变，引力越强的地方时间流逝越慢。即便在地球上，海拔越低，重力越强，时间流逝比高海拔处更慢，但这种差异极其微小，此前的时钟无法分辨出海拔不同所带来的时间流逝差异。香取教授解释道：“精度达到18位后，仅1cm的高程差，也能以原子振动频率变化的形式检测出来。”

为验证这一点，2016年，研究团队将设置于东京都文京区东京大学实验室与埼玉县和光市国立研究开发法人理化学研究所实验室的光晶格钟通过光纤连接，测量了振动频率的变化，得到了直线距离约15km的两地点高程差约为15m的结果。该数值与国土地理院的水准测量数据基本一致，仅有5cm误差，凸显了香取教授开发的光晶格钟在时间测量上的高精度（图1）。

图1 在东京大学设置1台、理化学研究所设置2台低温运行的锶光晶格钟，通过约30km的光纤连接直线距离约15km的东京大学与理化学研究所，测量振动频率变化，清晰捕捉到了约15m的高程差。

与企业联合开发可搬运型装置
在东京晴空塔开展实证实验

能以小数点后18位精度测量时间的光晶格钟也有其弱点。初期的装置规模庞大，足以占满约50平方米的实验室，无法搬运。光晶格钟若能实现小型化，便可使高精度时间测量技术获得广泛应用，不仅推动科技进步，还将对社会基础设施与新技术革新产生重大影响。

为此，香取教授等人自2015年起着手装置的小型化。光晶格钟由置入锶原子的真空腔、激光装置、光谱仪等多组装置构成。真空腔与激光装置的小型化在香取教授的研究室成功完成，而激光控制电路的小型化则寻求了岛津制作所的协助。

岛津制作所的技术人员根据香取教授的图纸，搭建了可精密控制各种功能激光的电路，试制了100余枚电路板。2020年，在保持18位精度的同时，容积缩小至920升、约为传统装置20分之一的可搬运型光晶格钟研制完成。

香取教授等人选择东京晴空塔作为这款可搬运型光晶格钟的实证场地。研究团队在地面层与展望台分别设置可搬运型光晶格钟进行时间测量，结果发现，设置在距离地面层约450米高处展望台的时钟，每天比地面层的时钟快十亿分之四秒。这一结果与广义相对论推导出的预测值吻合良好。根据两台时钟走时快慢之差计算出地面层至展望台的高度约为452.6米，与GNSS及国土地理院的测量结果几乎一致（图2）。

图2 使用光晶格钟，可在地表验证广义相对论所推导出的时间流逝快慢差异。在东京晴空塔的实验中，观测到地面层与展望台的时钟存在21.18Hz的振动频率差，相当于约450米的高程差，与GNSS的测量结果一致。

据悉，本次研究获得的验证精度，已逼近以往利用地面与高度约1万公里的卫星所做实验的精度。香取教授表示：“实现了光晶格钟可搬运至任何地点设置后，便能与GNSS、水准测量等相媲美。”

此后，香取教授等致力于装置的进一步小型化，于2024年11月发布了容积250升的新型光晶格钟。该光晶格钟将以往的4个装置减少为3个，分别为含真空腔的物理组件、光谐振腔、激光/控制系统，最终可被收纳进2台19英寸机架中（电子设备标准机架）。2025年，岛津制作所开始接受小型光晶格钟的订单，向社会应用迈出了重要一步（图3）。

图3 岛津制作所发售的锶光晶格钟“Aetherclock OC020”。装置不仅实现了小型化，还搭载了自动调整至正确测量状态的功能，使操作更便捷。

通过国际比对验证精度
向“秒的重新定义”迈进

目前，“1秒”的定义仍然沿用1967年基于铯原子钟制定的标准，但国际计量委员会下属的时间频率咨询委员会从2010年代后半期起，便持续推进有关更高精度原子钟的讨论。按照规划，2030年的国际计量大会将进行“秒的重新定义”，预计2026年秋季将公布最终候选方案。香取教授开发的锶原子光晶格钟，与单离子光钟及使用其他种类原子的光晶格钟一道，被列为新秒定义所采用的原子跃迁的有力候选。

为加快秒重新定义的讨论进程，香取教授等人也在与英国、德国、法国的研究团队开展国际合作研究。2023年，研究团队将可搬运型光晶格钟运往英国与德国，与当地的光晶格钟进行比对实验，结果显示，二者在小数点后17位保持一致，第18位则未能一致。香取教授就实验的意义解释道：“对于精度达18位、1厘米高差数值便会变化的时钟而言，若不准确求得时钟设置地点的重力势差，就无法做出正确评估。可搬运型的开发，奠定了评估世界各地时钟一致性的基础，这对推进今后的讨论至关重要。”

相对论传感亦将成为可能
源自日本的技术将改变世界

香取教授等人也在推进拓展光晶格钟应用场景的研究，目前已与国立天文台水泽VLBI观测所团队启动合作。VLBI是长基线干涉测量法（Very Long Baseline Interferometry）的简称，是一种通过相距遥远的多台射电望远镜同时观测同一天体的方法。将各台射电望远镜的观测数据加以组合，便可获得如同使用单台巨型射电望远镜观测一般的高分辨率天体数据。

为表明各射电望远镜是在相同时刻进行的观测，VLBI目前主要使用氢脉泽原子钟，但有朝一日其很有可能被精度更高的光晶格钟取代。为确保届时光晶格钟能顺利引入，研究团队正在研讨需对研究设备做出怎样的调整。

在此过程中逐渐显现出来的，是纬度差异带来的潮汐力影响。我们很少意识到地球的形状在发生变化，但实际上，地球在太阳与月球的引力影响下会发生微小形变。潮汐力引发的地形变化因纬度而异，因此对比埼玉县和光市与水泽VLBI观测所所在地——岩手县奥州市，两地高程差有时会出现约5厘米的变动。目前，通过研究潮汐所伴随的重力势差随时间的变化，分布在不同地点的18位精度时钟的时间校准步骤正逐渐明确。

若光晶格钟的小型化持续推进，通过时间延迟测量高程差的“相对论传感”应用也有望不断拓展。将其设置在地球上的位置或距海面高度已精确确定的基准点，或是搭载在人造卫星上，便能以数厘米精度实现板块运动与火山活动引发的地壳上下变动监测、数小时到数年尺度的地壳形变观测等测量，该技术作为社会基础设施，预计将在多种用途中有所贡献（图4）。

图4 通过在各类地点设置光晶格钟、构建以光纤连接的观测网，即可详细观测火山、地震、潮汐等引发的地壳细微变化。先进的时钟技术，未来有望成为催生新型商业模式的推动力。

此外，若将设置在各地的光晶格钟连接起来，还可实现超高精度云时钟环境，并推动高速大容量通信与位置信息服务的加速升级。香取教授的梦想正不断扩展：“如同诞生于美国的GPS深刻改变了世界一样，我希望能将诞生于日本的时间基础设施推向全球。”源自日本的新型时间测量技术支撑起新一代社会基础设施的日子，就要到来。

（TEXT：荒舩良孝、PHOTO：岛本绘梨佳）

将原子放进“鸡蛋盒”？光晶格钟的原理

香取教授开发的光晶格钟，其测量首先将气化后冷却至接近绝对零度的锶原子，逐个禁锢于多束被称为“魔法波长”的特殊波长激光干涉制成的微小空间“光晶格”中，使原子之间不发生相互作用。能量低于周围的区域整齐排列而成的光晶格，常被比作鸡蛋盒（图）。随后，用激光照射这些原子，精密测量吸收光的“原子钟摆”的振动频率，通过测量锶原子能量状态跃迁所对应的光频率来测量时间。光晶格整体可禁锢大量原子，因此能一次性测量这些“原子钟摆”的振动频率并取平均，从而在短时间内完成测量，这是光晶格钟的特点。

一般而言，原子受激光照射时，其能量状态会随照射光的强度而改变。由于光晶格会在空间上改变原子能量状态，此前一直被认为不适用于原子钟。但采用魔法波长的激光时，能量最低的状态与能量较高的状态会以完全相同的形式发生偏移，因此可以测量原子固有的能量跃迁频率。