量子テクノロジーパズルゲーム —光周波数コムと超安定レーザーが可能にする第二の量子革命—

量子テクノロジーパズルゲーム　—光周波数コムと超安定レーザーが可能にする第二の量子革命—

2023年02月06日カテゴリ：Focus
サブジャンル：Focus 著者：Menlo Systems　Benjamin Sprenger，Patrizia Krok 連載シリーズ

4.　光学式原子時計の刻み

光周波数コムは，高速な光振動を確実に数えることができるデバイスである。原子やイオンの中の狭い遷移に対応するためには，超安定レーザー（USL）が必要である。これらのピースをどのように組み合わせれば，かつてない精度で時間を計測できる光原子時計というパズルが完成するのだろうか。それを知るためには，時計とは何かを一歩引いて考えてみる必要がある。

時計とは，簡単に言えば，ある種の繰り返し現象である「振動」と，それをカウントする「方法」が必要である。機械式時計では，ゼンマイから得たエネルギーでテンプが1秒間に数回振動する。歯車列などの他の部品は，設定された振動数を時計の針の動きに変換している。この点では，クオーツ時計も同じである。小型の水晶振動子を，32.768 kHzという正確な発振周波数になるよう，一定の大きさに加工する。この水晶振動子が32,768回正確に振動すると，電子カウント機構が秒針を1ステップ動かす。

セシウム原子時計では，水晶振動子などの共振器をセシウムの超微細遷移に同調させ，フィードバック機構により，振動子がペースを保ち，原子が問いかけられるこの遷移に正確にとどまるようにする。この周波数は約9.2 GHzなので，通常の電子機器を用いて振動をカウントし，時計の音に変換する。水晶時計と比較すると，水晶振動子とは異なり，セシウム原子はすべて同一であるため，原子時計に絶対的な精度を与えることができるという利点がある。

光原子時計の動作原理は非常によく似ている。しかし，発振周波数はほぼ6桁も高く，このことが時計の精度を高めることを可能にする。例えば，中性ストロンチウムの698.4 nmの1S-3P遷移は，429 THzの周波数に相当し，その線幅はヘルツレベルである。698.4 nmの超安定レーザーは，線幅がヘルツ以下のため，この遷移に同調する。電子的なフィードバックループにより，レーザーはストロンチウム原子との共振を維持する。この周波数は，光周波数コムによってカウントされる。

実際，完全な光クロックのセットアップには，さらなる努力が必要だ。超安定レーザーがウルトラアロー遷移に同調できるようにするためには，さまざまなステップが必要だ。まず，原子を捕捉する必要がある。中性原子は通常，「光学格子」に捕捉される。2本から6本のレーザービームを重ね合わせ，その交差点で「卵の箱」型の電位を発生させ，数千個の原子を各ウェル内に1個ずつ保持することができる。原子を冷却し，特定のレベルに再変換するためと，ストロンチウムの698.4 nmという狭いクロック遷移のために，さらに複数のレーザーが必要である。さらに，光学格子は超高真空チャンバーに封じ込められる。

真空チャンバーと必要な光学部品，電子部品，そして原子が「物理パッケージ」を構成し，研究室の要求に応じて設計・製造されます。しかし，研究室はもはや，超安定レーザーを独自に設計・製作するという時間のかかるプロセスを経る必要はない。ラティスを準備し，原子状態に対応するための超安定レーザーや，周波数の読み出しは，現在，研究室品質以上のものが市販されている（図3下段）。さらに，このような用途に対応した完全なシステムとして入手することも可能だ。メンローシステムズのFC1500-Quantumは，超狭線幅の光周波数コム，共振器安定化サブヘルツ線幅レーザー，さらに7つのレーザーを組み合わせており，これらはすべて周波数コムに位相安定化されている。これにより，冷却レーザー，再出力レーザー，格子レーザー，超狭帯域クロックレーザーが，原子遷移に対応するために必要な安定性と線幅を確保することができる。つまり，すべてのレーザーが狭い線幅を維持するための基準としての役割と，光周波数のスペクトル純度をマイクロ波領域，あるいは別の光周波数に移すためのクロックワークとしての役割がある。後者は，ストロンチウム格子時計と，イッテルビウム格子時計（578 nm），カルシウムイオン時計（729 nm）など他の光原子時計とを比較する際に必要とされる^4）。また，可視域の低位相雑音を，光ファイバーによる長距離伝送が可能な1.55 μm帯の通信域に移すことも必要である。

図4　140億年前のビッグバン時に2つの光原子時計が同期していたとすると，現在は1秒しか違わない。（出典：メンローシステムズ）

最新世代の光原子時計の精度は10^{–18 5）}に達しており，これはセシウム原子時計の最高精度よりも2桁も優れている。仮に，140億年前のビッグバン当時にこのような2つの時計が同期していたとすると，現在では1秒の差しかないことになる（図4）。

より正確な時間の計測が可能になるという計量学的なメリットに加え，この新しい装置には，まだ私たちが予想もつかないような多くの可能性が秘められている。100年前にアルバート・アインシュタインが発表した重力赤方偏移により，時計は重力場の違いによって速度を変えることができる。今回達成された10^–18の精度は，わずか1 cmの高さの差を解決できることを意味し，センチメートル単位の精度での重力センシングを可能にする。