太陽よりも正確です！ 3500万年でたった1秒もずれる時計とはどんな時計でしょうか？

時間を正確に測定することは、私たちが考えるよりもはるかに重要です。

1 日のタイミング誤差が 1000 分の 1 秒を超えると、通信ネットワーク、交通、金融システムが混乱に陥ります。 1 日のタイミング誤差が 10 万分の 1 秒を超えると、ナビゲーションおよび測位システムは正確な測位を実現できなくなります。

では、北斗衛星ナビゲーションシステムのような国家の重要機器は、どのようにして正確な時間を測定しているのでしょうか?

答えは原子時計です。

最近、中国科学院精密計測科学技術革新研究所の研究員である梅剛華氏がチームを率いて、新しいルビジウム原子時計を開発した。測定された周波数安定性は 2 秒レベルで 9E-14 (1E-14 は 1 兆分の 1) であり、100 秒レベルでは 9E-15 です。これは現在、ルビジウム原子時計の短期安定性の指標としては世界最高です。関連する結果は最近、国際ジャーナル「IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement」に掲載されました。

記事の内容

原子時計の秘密を解明

古代から現在に至るまで、時間測定ツールは科学技術の発展とともに絶えず更新されてきました。

日時計や砂時計から機械式時計やクオーツ時計に至るまで、時間測定の精度は各時代の最高レベルの技術を表しています。 1930 年代初頭、アメリカの物理学者イシドール・ラビは原子時計の概念を提唱しました。この概念が提案されてから間もなく、世界初の原子時計が米国で発売されました。その後、アメリカ、ソ連、イギリスなどの国々がより正確な原子時計を発明しました。

世界初の原子時計

では、原子時計とは一体何なのでしょうか?

実は、原子時計は量子特性を利用して発明された時計です。指針も歯車もありません。大きな樽のように見えるものもあれば、箱のように見えるものもあります。その役割は、時間単位「秒」の正確な測定を提供することですが、時間を直接表示することはできません。 1967 年、第 13 回国際度量衡会議において、セシウム原子の遷移の 9,192,631,770 サイクルが 1 秒と定義されました。それ以来、原子時計は世界で最も広く使用されている高精度の計時ツールになりました。

なぜ原子時計は航法衛星の「心臓部」と呼ばれるのでしょうか?

実際、航法衛星の運用においては、天空と地球の時刻が同期しているほど誤差が小さくなり、測位精度が高くなります。時間誤差が1秒に達すると、距離測定誤差は30万キロメートルに達します。原子時計の故障は航行衛星にとって大惨事となる可能性がある。

2016年、インド初の航法衛星の3つの時間計測時計が相次いで故障し、インドの航法システムが正常に動作できなくなった。欧州のガリレオ衛星ナビゲーションシステムも、軌道上にあった衛星の1つで時計の故障が発生し、その結果、システムは1週間ほどユーザーにナビゲーションサービスを提供できなくなった。このことから、原子時計は航行衛星の運用に非常に重要であることがわかります。

北斗衛星用高精度ルビジウム時計

1990年代に、我が国の北斗衛星ナビゲーションシステムプロジェクトが開始されました。このプロジェクトの核となる技術的な難しさは、原子時計の研究開発にあります。特に、衛星搭載型ルビジウム原子時計の研究開発は、中国の科学研究者が直面している大きな課題です。

北斗衛星ナビゲーションシステムの概略図

ルビジウム原子時計は、小型、軽量、低消費電力、高信頼性、長寿命、低製造コストなどの利点があります。現在最も広く使われている原子時計であり、衛星航法、通信、電力、金融などの分野で使用されています。中国航空宇宙科学技術公司第五科学院西安支部のルビジウム時計製品責任者である屈勇生氏によると、ルビジウム時計の安定性は、航行衛星の測位、速度測定、タイミング機能の精度に直接関係しているという。ルビジウムクロックの品質と信頼性は、航法衛星の成否を直接左右するものであり、北斗衛星にとって非常に重要なペイロード製品です。

当時、衛星搭載型ルビジウム原子時計の技術を習得していたのは米国とスイスの2国だけだった。このような背景から、1997年に梅剛華氏はチームを率いてルビジウム原子時計の研究を開始し、完全に独立した知的財産権を持つ衛星搭載型ルビジウム原子時計を3世代連続で開発し、北斗航法衛星に大量搭載しました。特筆すべきは、2006年に彼と彼のチームが開発に成功した第3世代の衛星搭載ルビジウム原子時計が7E-13秒の安定性を達成し、当時のルビジウム原子時計の周波数安定性の国際記録を樹立したことです。

我が国初の衛星搭載ルビジウム原子時計

2020年、わが国の新世代全地球衛星ナビゲーションシステム「北斗3号」が正式に開始されました。北斗3号衛星は、我が国の独立制御可能な新型ルビジウム原子時計と、より高い安定性と精度を備えた水素原子時計を採用しており、衛星の時間と周波数の基準性能が大幅に向上しました。

今日、梅剛華氏のチームが開発した新しいルビジウム原子時計は、秒単位の周波数安定性指数で再び国際記録を更新した。同氏は、この技術的進歩は、高品質のマイクロ波発振器技術の開発と、北斗システムの新世代の衛星搭載原子時計の研究開発に役立つだろうと述べた。

ますます精度が高まる原子時計のサポートにより、より正確な測位が可能になり、北斗衛星ナビゲーションシステムの動作がより安定することが予測されます。