産総研ら,安定した小型原子時計を開発

産業技術総合研究所(産総研),首都大学東京(首都大),リコーの研究グループは,ライトシフトの揺らぎを制御することで長期的に非常に安定した小型原子時計を開発した(ニュースリリース)。

膨大なデータの中から新たな知見を見出すビックデータの収集・分析・活用への取り組みが本格化しつつある。最近は,省電力広域ネットワークなど低消費電力の通信技術の発展によりヒト以外のさまざまなモノから情報が発信される本格的なIoT時代へと向かっており,そこから得られるであろう新たな知見に期待がかかっている。

しかし,情報に付随する時刻情報が不正確だとデータ分析でのノイズとなるため,正確な時刻情報の重要性が増している。これまで時刻情報は全地球航法衛星システムに頼ってきたが,電波妨害やなりすましによる時刻情報の改ざんがもたらす脆弱性が指摘されていた。

IoT端末に小型で安定した原子時計を搭載できるようになれば,IoT端末が利用する時刻の正確さを自律的に診断・補正可能となるため,全地球航法衛星システムで問題となっている安全性を確保することができる。

一般的に,小型原子時計を駆動するには量子干渉効果の一種であるCPT共鳴を利用する。半導体レーザーであるVCSELに周波数変調を加え,出力される2周波数のレーザー光とCs原子の相互作用によりCPT共鳴が生成する。その過程で,ライトシフトも共に発生してしまい,Cs原子固有周波数の変動要因となり,小型原子時計の長期的な安定性を阻害してきた。

今回,VCSEL発振波長の経年変化がライトシフトの揺らぎに関与していることを定量的に解明した。しかし,ライトシフトの揺らぎを直接抑制することは消費電力の増加につながる。

そこで,半導体レーザーの基礎方程式に基づき,VCSEL発振波長が経年変化してもCs原子の固有周波数が変動しない駆動方法としてゼロクロス法を考案し,小型原子時計に適用した。

ゼロクロス法適用の効果は,150日以上の長期間の評価期間を経て,慎重に検証した。ゼロクロス法を適用した場合はCs原子の固有周波数の変動を十分に抑制することができ,その結果,平均時間を約50日間(4.3x106秒)とした場合,従来の小型原子時計と比べて100倍の安定性を得ることに成功した。

今後は,小型原子時計のさらなる高安定化を目指した研究開発を進める予定としている。

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