日本“光学晶格钟”开辟未来：有望“重新定义秒”，还可用于观测等多种技术应用

这款终极腕表的开发者是东京大学工学研究生院教授、RIKEN 团队总监香取秀俊 (Hidetoshi Katori)。香取的光学晶格钟有望应用于社会的各个领域。这是世界领先的“日本”技术，有潜力开辟未来。

锶原子被限制在超小的“光学晶格”中

让我们回顾一下人类时间观念的演变，钟表的诞生和进步。据说，古人通过太阳和月亮的运行来认识季节的变化。随着文明的进步，意大利的伽利略·伽利雷在 16 世纪发现钟摆以规则的间隔摆动。根据这一发现，荷兰人克里斯蒂安·惠更斯设计了摆钟。后来，使用主发条的机械表和使用水晶振动的石英表被创造出来并流行起来。这款石英表品质最高，最高标准每100年误差1秒。

20世纪下半叶，出现了基于原子频率的原子钟。最初，一秒是根据地球绕太阳公转的轨道时间推导出来的，但在1967年，质量数为133的铯原子钟成为定义一秒的国际标准。当原子转变为不同的能量状态时，它们会吸收并发射特定频率的无线电波和光。这种无线电波或光的频率被视为时间的标准，就像钟摆一样。这是一个原子钟。虽然解释起来有点困难，但一秒被定义为微波振动 9,192,631,770 次所需的时间，这会导致铯原子产生一种称为激发的状态。目前最精确的铯原子钟每6000万年误差为1秒，据说相对精度约为15位数字。

光学晶格钟将原子钟的精度提高了一个数量级。这个错误已经超出了人类的感知范围。这是利用光的下一代时钟。光的频率比铯原子钟中使用的微波高几个数量级。频率越高，时间就越精确，从而显着提高时钟的精度。

另一个特点是使用锶原子。测量锶原子吸收和发射的光的频率。具体来说，他们通过干扰特定波长（被称为“神奇波长”）的激光，创建了一个称为“光学晶格”的超小空间，其形状像一个鸡蛋容器。此外，大约100万个冷却的锶原子被一一困在其中。一秒的长度是通过将激光束照射到这一百万个原子上并精确测量它们吸收振动的平均频率来确定的。

展示光学晶格时钟如何捕获每个原子的模型，2022 年 8 月，东京小金井市国立信息通信技术研究所（时事）

2001年提出并引起世界关注

香取先生于2001年首次提出了这种光学晶格钟，引起了全世界的关注。这个时钟值得注意的是，它能够同时使用大量原子，同时成功地抑制了原子之间相互作用引起的误差。高精度时钟传统研究的一个主要挑战是只能使用少量原子，因为原子之间会相互碰撞，从而导致误差。

即使在提出光学晶格钟之后，香取和他的团队仍然继续进行实验和研究。他相继成功进行了高精度频率测量，并开始因在“重新定义秒”中发挥的重要作用而受到国际赞誉。早在2006年，它就被选为下一代手表的候选者。然而，Katori 等人最初的光学晶格钟是实验室中的大型设备。为此，团队还着手开发“便携式光学点阵钟”。为了让这款时钟成为国际标准，需要直接比较不同国家和研究机构的时钟，而小型化是必不可少的。

经过反复努力，研究团队于2014年11月宣布，他们已成功将该装置的容量从原来约920升缩小到250升左右。通过回顾传统设备的结构，我们能够显着减轻重量并降低功耗。朝着“实际应用”取得了很大进展。岛津制作所和日本电子株式会社也参与了该研究团队。

在此期间，香取和他的同事公布了震惊世界的实验结果。 2020年4月，该团队宣布他们开发出了便携式版本的光学晶格钟，可以被认为是小型化的先驱，并通过基于广义相对论测量高度差来证实其性能。根据当时的公告，该团队缩小并整合了此前固定在实验室中的光学设备和控制设备，并开发了新的便携式版本。该装置被放置在东京晴空塔底层和展望台的两个位置，测量了每个位置测量时间的方式的差异。结果证实，天文台的时间流逝速度每天比地面快 4.26 纳秒（十亿分之一纳秒）。便携式光学晶格时钟的性能可与传统实验室时钟相媲美。

光学晶格钟研发者、东京大学教授香取秀俊在与国际度量衡局达成协议重新定义秒后召开新闻发布会，2026年5月12日，川崎市（时事）

进化成每300亿年误差1秒的终极时钟

根据爱因斯坦的广义相对论，时间在海拔较低且重力大于海拔较高的地方移动得更慢。光学晶格钟可以测量时间上极小的变化，因此可以应用于测量高度差。 Katori 等人的这个实验。被称赞为“即使东京晴空塔的高度差只有450米，它也以与利用人造卫星进行的传统太空实验相媲美的精度验证了广义相对论”。

2015年2月，香取和他的团队激活了两个光学晶格时钟，并宣布两个时钟之间的差异为“每160亿年一秒”。即使自宇宙诞生以来持续移动了138亿年，这个误差计算出来也只有1秒左右。精度超乎想象，但最新的设备已经达到了18位数字的精度，也被描述为“每300亿年一秒”的精度，这是一款令人难以置信的“终极手表”。

岛津制作所与东京大学和理化研究所共同为2024年宣布的光学晶格钟的小型化做出了贡献，并于2025年3月宣布将发布超高精度商用光学晶格钟。这是世界上首次商业化。此尺寸宽114厘米，高109.3厘米，深65厘米。性能为“每100亿年1秒”，当时的建议售价为5亿日元（含税），销售目标为3年内10台。

在此证明“实际应用”的基础上，岛津制作所和理化学研究所于今年 5 月 12 日签署了一份谅解备忘录，与国际计量局 (BIPM) 合作研究和演示光学晶格钟，计划在 2030 年重新定义秒。尽管欧洲和美国提出和开发的“单离子钟”已被提议作为重新定义秒标准的候选标准，但光学晶格钟具有出色的稳定性，被认为是重新定义秒的有力候选者。

该备忘录的签署作为实现光学晶格时钟采用的举措而备受关注。据相关人士透露，在签字仪式后的新闻发布会上，香取表示，“如果能够通过提供时间比较工具来尽快重新定义，我会很高兴。”

有望应用于地震和火山喷发研究

让我再次介绍一下香取先生的职业生涯。 1988年毕业于东京大学工学部物理工学部，获博士学位。 1994年获得该大学研究生院工学博士学位。历任德国马克斯·普朗克量子光学研究所客座研究员、东京大学工学部助理教授、日本科学技术振兴机构（JST）CREST研究代表，2010年成为该大学工学研究科教授。2013年获得仁科纪念奖，2013年获得日本学院奖。 2015年，以及2022年本田奖（由本田基金会赞助）。他被认为是诺贝尔奖的有力候选人，人们对他获奖的期望很高。

2022 年 11 月 17 日在东京举行的本田奖颁奖典礼上，香取先生发表了题为“将好奇心驱动的科学与未来连接起来”的纪念演讲。在演讲的开头，他表示，“随着年龄的增长，我开始认为我想利用这种（光学晶格）技术留下对人类和社会有用的成果。”

事实上，香取提出的这项突破性技术的意义不仅仅是有可能改变秒的当前定义。就人类生活实际意义上的“时钟精度”而言，原子钟可以说是足够的。光学晶格钟的美妙之处在于其技术给新技术带来的影响和连锁反应。

正如东京晴空塔的实验所证明的那样，超高精度时钟可以测量细微的高度差异。换句话说，“只要放下时钟就可以知道高度。”这项技术被称为“相对论测地学”，例如光学晶格钟的超高精度可以精确测量几厘米的高度差。

火山爆发前，岩浆会上升，据了解，可以看到山体轻微扩张等变化。汝。不仅是火山的微小变化；与地震活动相关的地壳变形也很难通过常规测量来检测。据说有可能检测到重大变化。换句话说，光学晶格钟是“超高精度位置测量仪”通过布置多个设备或将它们联网，据称，它可以用来完善地壳形变监测系统，持续监测火山活动。决不。

不仅与地震和火山相关的防灾技术受到关注，而且与我们的生活和社会基础设施密切相关的技术也受到关注，例如空间观测和探索、卫星定位系统（GPS）的发展、下一代通信技术和自动驾驶。终极时钟不再只是一个时间测量装置，而是一个观察地球和宇宙的观测装置。

使用东京天空树的光学晶格时钟实验概述（由东京大学香取秀俊教授提供）

“这项研究已经进展到可以用来回馈社会的程度，”香取说。

香取在接受本田奖的演讲中说：“在我被要求写的高中物理教科书中，我写道，‘我们也许能够获得以前从未发现过的物理新知识。’”在本田基金会赞助的与东京大学名誉教授村上阳一郎的对话中，香取这样说道。

“当我第一次寻找研究课题时，我想，‘我想做不涉及竞争的研究。我也想做我们能享受和享受的研究。’这是出发点。但是，我们不能做无用的研究。我想，如果我们现在做基础研究，20年后也会有用。”我认为最棒的是，20年后，研究已经进展到可以用来回馈社会的地步。”这句话里包含了香取先生的真实想法。

即使在今天，时间测量仍然是科学技术的基础，提高时钟的准确性直接导致社会基础设施的演变。没有精确的时间测量技术，未来社会就不可能存在。香取先生首创的超高精度光学晶格时钟技术就实现了这一承诺。

横幅照片：岛津制作所生产的全球首款商业化光学点阵时钟 EtherClock OC 020，京都府青果町 5 号（时事）

本文翻译自：nippon.com，作者：内城喜贵，科学记者兼日本科学记者协会（JASTJ）理事。