발표의 특징

• 광 격자 실시간 바카라 소형화는 고정밀 시간 측정 기술의 광범위한 응용을 허용하며 과학 및 기술의 발전뿐만 아니라 사회 인프라 및 새로운 기술 혁신에도 큰 영향을 미칩니다.
• 이 연구 개발은 세계 최초의 최초의 용량을 250 리터의 장치를 성공적으로 개발 한 기존 휴대용 광학 격자 실시간 바카라 1/4을 개발했습니다.
• 앞으로, 우리는 광학 격자 실시간 바카라 크기와 견고성을 더욱 줄이려고 노력할 것이며 사회 인프라에서 계속 구현할 것입니다.

JST 미래의 사회 제작 프로젝트의 JST, Katori Hidetoshi 교수 (광학 양자 공학 센터, Riken 및 Optical Quantum Engineering Center의 주요 연구원)는 250 리터의 장치 용량을 갖춘 작고 강력한 초고속 광학 배출 시계입니다.^{참고 1)}.
광학 격자 시계는 Cesium Atomic Clock보다 100 배 이상 더 정확한 원자 실시간 바카라 유형이며, 이는 "초"의 현재 정의입니다. 정확도는 100 억 년 당 약 1 초 오차에 해당하며 정확도가 매우 높기 때문에 광학 격자 시계는 차세대 "초의 정의"의 유망한 후보로 주목을 받고 있습니다. 이 개발에서 우리는 기존 920 리터에서 250 리터로 장치 볼륨을 약 1/4로 성공적으로 줄였습니다. 이것은 시간 표준뿐만 아니라 상대 론적 감지로 사용됩니다.^{참고 2)}와 같은 다양한 연구 사이트 및 응용 분야에서 사용될 것으로 예상됩니다.
이 연구는 Riken Development Research 본부/사진 양자 공학 연구 센터, Shimadzu Corporation 및 Jeol Co., Ltd.에서 근무한 전담 연구원 인 Takamoto Masao와 공동으로 수행되었습니다.

연구 배경과 역사

고밀도 원자 시계는 고속 대용량 통신과 같은 고속 대용량 통신과 같은 현대 사회의 필수 기술입니다. 광학 격자 시계 (그림 1)는 원자 실시간 바카라 유형이며, "초"의 현재 정의의 100 배 이상의 정확도의 18 자리^{참고 3)}실현됩니다. 18 자리 정확도는 100 억 년 당 약 1 초의 오차에 해당하며 매우 정확하므로 광학 격자 시계는 차세대 "초의 정의"의 유망한 후보로 주목을 받고 있습니다.
2020 년 시마 주 세이 사쿠 쿠소 (Shimadzu Seisakusho)와의 공동 작업으로 2020 년에 카토리와 타카모토 교수의 연구 그룹은 1 층에 설치된 920 리터의 장비를 갖춘 920 리터의 장비 (0 미터)와 Tembo Corridor (450 미터)가있는 2 개의 광학 격자 시계 사이의 시간 진행의 차이를 측정했다.^{참고 4)}에 대한 데모 실험을 수행했습니다 (JST 보도 자료, "18 자리 정확도를 가진 휴대용 광학 격자 시계의 세계 최초의 성공적인 개발" *관련 정보 참조). 실험실 외부의 휴대용 광학 격자 시계 및 데모는 광학 격자 시계의 주파수를 측정하여 고도 차이와 중력 전위를 측정하기위한 시스템을 확립하기위한 첫 번째 단계였습니다.
반면에, 광학 격자 시계를 향후 사회적 기초로 사용하기 위해 다양한 환경에서 사용될 것으로 예상되며 장치의 추가 소형화가 필요합니다. 또한 사회에서 "초"를 녹음하기위한 장치로서 오랫동안 연속적이고 안정적인 운영을 가능하게해야합니다.

연구 컨텐츠

이 공동 연구 그룹은 JST Future Society Creation Project에서 "클라우드 광학 격자 시계를 사용하여 시공간 정보 인프라 구축"에 대한 연구 개발에 관한 연구를 해왔습니다. 결과적으로, 우리는 원자의 시계 전이의 분광법과 원자의 트래핑 및 분광법을 제어하기위한 레이저/제어 시스템의 물리적 패키지를 줄였다.
물리적 패키지 (그림 2)는 도쿄 대학교, 리켄 인스티튜트 및 Jeol에 의해 공동으로 개발되었습니다. 코일 및 흑체 방사선 방사선을 통합하여 공간적으로 균일 한 자기장을 생성함으로써 고정밀 광학 격자 클록에 필수적인 진공 챔버에 필수적으로, 우리는 상당한 소형화 및 높은 정밀도를 달성했습니다.
레이저/제어 시스템 (그림 3)은 도쿄 대학교, 리켄 인스티튜트 및 시마 주 세이 사쿠 쿠소 (Shimadzu Seisakusho)가 공동으로 개발했습니다. 레이저 용접으로 인한 광축 조정 메커니즘이 필요하지 않은 광학 시스템은 수냉 및 열 파이프를 사용하여 열 안정화되며, 고밀도로 최적으로 장착되는 제어 회로가 더 작고 강력하며 오랫동안 작동 할 수있는 시스템을 생성하기 위해 실현되었습니다. 또한, 각 함수는 교체 가능한 모듈 구성 (그림 4)으로 기능으로 나뉘어 작동 중 유지 가능성을 향상시킵니다. 공동 연구 그룹은 이러한 연구 및 개발 결과를 장치 개발로 통합했으며, 장치 볼륨이 250 리터 인 초고속 광학 격자 시계 장치 (그림 5)의 세계 최초의 성공적인 개발이었습니다.

미래 개발

국제 체중 및 측정 국 (BIPM)은 2030 년에 "초"를 재정의 할 예정이며 광학 격자 시계는 재정의 후보로 나열됩니다. 광학 격자 클록이 "초"로 정의되면 광학 격자 클록의 확산은 국제 표준으로 시간을 유지하기위한 표준으로 가정됩니다. 이러한 소셜 인프라 응용 프로그램의 경우 장기 운영이 필수적이며 강력한 광학 격자 실시간 바카라 개발이 점점 더 중요 해지고 있습니다.
광학 격자 실시간 바카라 소형화를 통해 재배치가 더 쉽게 재배치되어 다양한 설치 환경에서 일반적인 상대성 이론을 사용하여 상대 론적 감지에 적용 할 수 있습니다. 예를 들어, 광학 격자 시계는 몇 센티미터 정확도 및 화산 활동을 갖춘 플레이트 움직임으로 인한 크러스트의 상향 및 하향 움직임, 몇 시간에서 몇 시간에 걸쳐 발생하는 지각 운동 (고도 변화)의 정확한 관찰로 인해 초고속 전자 차이 측정 및 위치 시스템을 확립하는 등 광범위한 연구와 목적에 기여할 것으로 예상됩니다.

관련 정보

JST 보도 자료, 2020 년 4 월 7 일
"18 자리 정확도를 가진 휴대용 광학 격자 실시간 바카라 세계 최초의 성공적인 개발 - 도쿄 Skytree와의 일반 상대성 이론을 검토

참조 다이어그램

그림 1 광 격자 실시간 바카라 개략도

원자 (구형)는 레이저 광 간섭에 의해 생성 된 마이크로 스페이스 (계란 상자 모양의 광학 격자)로 포획됩니다. 광학 격자는 "매직 파장"이라는 특수 레이저 파장으로 구성됩니다. 원자의 접지 및 여기 상태는 광자계 레이저에 의해 동일한 크기의 에너지 이동을 겪으므로, 원자 진자의 주파수는 광전 장에도 불구하고 변하지 않는다.

그림 2 광학 격자 실시간 바카라 물리적 패키지

진공 챔버 내에서 공간적으로 균일 한 자기장을 생성하기 위해 코일 및 흑체 방사선 방패를 포함하는 작은 물리적 패키지. (a)는 자기 방패가있는 외부이며 (b) 자기 방패 내부에 설치된 진공 탱크입니다.

그림 3 : 광학 격자 시계를위한 레이저/제어 시스템
(전면 덮개 제거)

필요한 커넥터는 유지 보수 및 작동성을 향상시키기 위해 전면 섹션에 통합됩니다.

그림 4 레이저/제어 시스템의 기능 부서와의 모듈 구성

각 함수는 함수로 나뉘어져있는 교환 가능한 모듈 구조로 설계되어 작동 중 유지 관리가 향상됩니다.

*250 리터 볼륨은 랙 볼륨을 포함하지 않습니다

그림 5 : 250 리터 광학 격자 시계 19 인치 랙에 내장

매우 높은 정밀 컴팩트 광학 격자 시계 장치가 개발되었습니다. 레이저-냉각 된 원자는 광학 격자에서 포획되며, 클록 전이는 일정한 온도-냉각 챔버에서 높은 정확도로 스펙트럼을 유지한다. 시계 분광법을위한 진공 챔버, 광학 공진기 및 레이저/제어 시스템을위한 진공 챔버가 들어있는 물리적 패키지가 장착되어 있습니다.

용어집

참고 1) 광학 격자 시계
광학 격자 시계는 2001 년 도쿄 대학의 Katori Hidetoshi에 의해 고안되었습니다. 원자는 "매직 파장"이라는 특수 파장의 레이저 광으로 만든 용기 (광 격자)에 하나씩 캡처되며, 원자의 주파수는 그들 사이의 상호 작용없이 정확하게 측정됩니다. 전체 광학 격자 전체에 걸쳐 다수의 원자를 캡처 할 수 있으며, 원자의 주파수를 한 번에 측정하고 평균적으로 높은 정확도를 취함으로써 단기간에 높은 정확도를 얻을 수 있습니다.

주 2) 상대 론적 감지
고정밀 원자 시계는 지상의 몇 센티미터에 불과한 높이의 차이로 인해 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에서 파생 된 시간 지연으로 인해 빈도의 변화를 관찰 할 수 있습니다. 상대 론적 감지는 이러한 빈도의 변화를 사용하여 고도 차이를 측정 할 수있는 클록을위한 새로운 응용 기술입니다.

참고 3) 18 자리 정확도
클록 정확도는 특정 시간이 지나간 후 ​​시간 편차에 따라 평가됩니다. 예를 들어, 매월 차이가 10 초인 시계가있는 경우, 실시간 바카라 정확도는 약 4 x 10-6이며, 10 초를 월간 초 (약 260 만 초)로 나누어 계산합니다. 이것은 지수 번호로 간주되며 6 자리 정확도를 가진 시계라고합니다. 18 자리 정확도는 약 100 억 년의 운영 후에도 초 1 초만 이동하지 않는 정확도를 나타냅니다. 이 고전화 시계에서 상대성 이론으로 인한 시간 편차는 크게 관찰 될 수 있습니다.

주 4) 일반 상대성
이것은 Albert Einstein이 지은 현대 물리학의 기본 이론입니다. 중력장은 물질 주위에서 발생하는 시간 및 공간 왜곡으로 표현됩니다. 일반적인 상대성으로 이어지는 것 중 하나는 중력이 강한 곳에서 시간이 천천히 흐르는 것입니다.

연락처 정보

연구 관련 문제

Katori Hidetoshi
도쿄 대학 공학 대학원 물리 공학과 교수
2-11-16 Yayoi, Bunkyo-Ku, 도쿄 113-8656, 공학 교수 9
전화 : 03-5841-6845 팩스 : 03-5841-6859
이메일 : katori@amo.t.u-tokyo.ac.jp

Takamoto Masao
Katori Quantum Measurement Laboratory, Riken Development Research 본부
완전한 연구원, 우주 공학 연구 팀, 광자 공학 센터
2-1 Hirosawa, Wako City, Saitama 현 351-0198
전화 : 048-467-1966 팩스 : 048-467-1965
이메일 : takamoto@riken.jp

JST 비즈니스와 관련된 문제

Komoto Kazuaki
Japan Science and Technology Agency, Future Creation Research and Development Promotion Department Group 1st Promotion
K 's Gobancho 7, Gobancho, Chiyoda-Ku, 도쿄 102-0076
전화 : 03-6272-4004 팩스 : 03-6268-9412
이메일 : kaikaku_mirai@jst.go.jp

프레젠테이션

일본 과학 및 기술 기관 홍보 부서
5-3 Yobancho, Chiyoda-Ku, 도쿄 102-8666
전화 : 03-5214-8404 팩스 : 03-5214-8432
이메일 : jstkoho@jst.go.jp

도쿄 대학 공학 대학원 홍보 사무소
7-3-1 Hongo, Bunkyo-Ku, 도쿄 113-8656
전화 : 03-5841-0235 팩스 : 03-5841-0529
이메일 : kouhou@pr.t.u-tokyo.ac.jp

Riken Research Institute 관계 사무소
2-1 Hirosawa, Wako City, Saitama 현 351-0198
전화 : 050-3495-0247
이메일 : ex-press@ml.riken.jp

Shimadzu Seisakusho Co., Ltd. 기업 커뮤니케이션 부서 홍보 그룹
1 Nishinokyo Kuwabaracho, Nakagyo-Ku, Kyoto 604-8511
전화 : 075-823-1110 팩스 : 075-823-1348
이메일 : pr@group.shimadzu.co.jp

Jeie Co., Ltd. Corporate Communications Office
홍보/브랜드 그룹
3-1-2 Musashino, Akishima City, 도쿄 196-8558
전화 : 042-542-2106 팩스 : 042-546-9732
이메일 : ir@jeol.co.jp