英語版クイズをもとにAIで日本語で作成しました。出典は日本語版ウィキペディアにリンクしています。
原子時計は、原子や分子が持つ決まった周波数を基準にして時を刻む、最も正確な時計。現在の1秒の定義も、GPSや標準電波も、この時計に支えられている。 このクイズでは、セシウム原子時計のしくみ、発明と実用化の歴史、閏秒との関係、そして日本で生まれた光格子時計までを出題する。 やさしい問題から研究者レベルの難問まで、順に挑戦してみよう。
全30問の答えと解説。クイズで遊ぶ
Q 01原子時計を搭載し、正しい位置を表すための電波を出す人工衛星は？
GPS衛星
電波の分野では、原子時計のおかげで正確な周波数同調もできるようになった。
Q 02標準電波を受信して時刻の誤差を修正する時計を何という？
電波時計
標準電波で放送される時刻情報は原子時計を元に作られており、受信した側のクォーツ時計のずれが直される。
Q 03「International Atomic Time」と呼ばれる時刻系の日本語名は？
国際原子時
略称はTAI。現在のSI秒もこの時刻系も、原子時計に基づいている。
Q 041967年の国際度量衡総会で決まった秒の定義に使われる原子は？
セシウム133
決定したのは第13回の総会。基底状態の2つの超微細準位の間の遷移に対応する放射の周期が基準になっている。
Q 05原子時計の内部で、発振周波数を常に調整・修正されている部品は？
水晶振動子
原子や分子が持つ決まった周波数を基準にして、クォーツ時計の側を合わせ続けるのが原子時計の仕組み。
Q 06カルシウム光時計が共鳴するのは何色の光？
赤色
原子時計の電磁放射線の色は元素によって決まる。イッテルビウム光時計の場合は紫色光で共鳴する。
Q 07ストロンチウム光格子時計を2001年に提唱した東京大学の研究者は？
香取秀俊
提唱の2年後には基礎実験が成功した。セシウム原子時計を超える原子時計として期待されている。
Q 08高度計にもなる光格子時計が、津波とともに予知への貢献を期待される災害は？
噴火
光格子時計は重力ポテンシャル計としても使える。衛星測位システムに代わる新たな測地技術への貢献も考えられている。
Q 09かつての標準メートル原器は、白金と何の合金で作られていた？
イリジウム
原器には温度や摩耗の問題があった。現在はレーザー波で正確に長さを測ることができ、そのために正確な時計が要る。
Q 10世界初の商用光格子時計を2025年に発売した日本の企業は？
島津製作所
製品名は「Aether clock OC 020」。開発には光格子時計の提唱者も参加した。
Q 11光格子時計は、わずかどれだけの高低差による時間の遅れを検出できる？
1 cm
高低差だけでなく、人が歩く程度の速さで生じる時間の遅れも検出可能とされる。
Q 12小型化された精度の低い原子時計でも、誤差は何年に1秒程度？
3000年
高精度の原子時計になると、誤差は3000万年に1秒程度まで小さくなる。
Q 13セシウム原子時計で、炉から出た蒸気を2つに分離するのに使うのは？
磁場
分けられるのは超微細準位の異なる原子。励起したあとの原子にも、同じ方法でもう一度分離をかける。
Q 14精度18桁の光格子時計が1秒狂うのにかかる年数は、何年以上？
Q 21ジョン・ホールとテオドール・ヘンシュがノーベル物理学賞を受けたのは何年？
2005年
2人は、マイクロ波から光波までの波長域についての理論を開拓した。光波は計測がより難しいが、性能はより高い。
Q 22捕捉した単一イオンの研究で2012年にノーベル物理学賞を受けたのは？
デービッド・ワインランド
高い安定性の時計を開発するために、捕捉された単一イオンの性質を探求したパイオニアだった。
Q 23イギリス国立物理学研究所で実用化第1号のセシウム原子時計を開発したのは？
ルイ・エッセン
この時計は1955年から1958年までTAIを刻んだ。セシウム原子時計そのものが発明されたのはアメリカ。
Q 24国際度量衡局の2024年の説明で、秒の新定義の採択は何年以降の見込み？
300億年
この精度はセシウム原子時計の1,000倍にもなる。
Q 15光格子時計で、2つの状態の光シフトが等しくなるレーザー波長の呼び名は？
魔法波長
光格子を作るレーザー光は原子のエネルギー準位を変化させ、時計遷移の周波数にもずれを生じさせてしまう。
Q 16ストロンチウム光格子時計が光格子の中に閉じこめる原子は約何個？
100万個
原子間の相互作用を排除しているため、単一原子時計100万台と等価になる。光格子はレーザー光の干渉定在波で作られる。
Q 172022年に世界で初めて光格子時計を用いた標準時を生成した機関は？
情報通信研究機構
2026年には商用の光格子時計1機の購入も決め、自前の光格子時計との2台体制で時刻の誤差修正に使う予定とした。
Q 18光周波数の直接計測の難しさを解消した自己参照型モード同期レーザーは？
フェムト秒周波数コム
光の周波数を直接測る難しさは、光時計の開発の主な障壁だった。この技術と光格子の開発が原子時計を新世代へ導いた。
Q 19セシウム原子時計が作り出すマイクロ波の周波数は何Hz？
9192631770
励起状態になる原子の量が多くなるように周波数を調整することで、この正確な値が得られる。
Q 20光時計で、レーザーとともに原子の冷却に用いられる装置は？
磁気光学トラップ
原子やイオンを外部の摂動から高度に隔離することで、非常に安定な周波数基準が実現する。
2030年
時期はロードマップに定めた必須条件の達成状況による。光格子時計を含む光周波数標準が再定義の候補になっている。
Q 25ギネスブックに認定された原子時計HP 5071Aの誤差は何年に1秒？
160万年
ヒューレット・パッカードが1991年12月に発表したセシウム原子時計で、当時は最も正確な時計として認定されていた。
Q 262011年にNICTと東京大学の原子時計を結んで確かめた精度は何年に1秒？
6500万年
両者が独立に開発した原子時計を、超高精度光伝送技術でつないで比べた。桁数でいえば16桁の精度にあたる。
Q 27光格子時計を加えた標準時システムは、UTCとの同期精度が±何以内になった？
5ナノ秒
光格子時計を加える前の同期精度は±20ナノ秒以内だった。
Q 28周波数コムの開発以前、電波と光周波数のギャップを埋めていた技術は？
テラヘルツ技術
そのシステムは煩雑だった。周波数コムが2000年に開発されて洗練されると、世界各地で光時計が開発される道が開けた。
Q 291949年にアメリカ国立標準局で原子時計を発明した物理学者は？
ハロルド・ライオンズ
分子の吸収線を利用した時計だった。実用化第1号となるセシウム原子時計が動き始めるのは1955年のこと。
Q 30ラム・ディッケ束縛でドップラーシフトとともに影響を排除できるのは？
反跳シフト
原子を光格子に閉じ込めるには、まず数μKまでレーザー冷却する必要がある。