重塑「秒」的定義：日本「光晶格鐘」，有望廣泛應用，開創新的未來

「時間」是我們日常生活中不可或缺的、支撐整個社會的基礎。而作為時間單位的「秒」其定義即將發生變化。自1967年以來，「銫原子鐘」一直被用於規定秒的定義，但如今精確度量級遠超銫原子鐘的「光晶格鐘」研發工作已經取得重大進展。現在，國際度量衡局（BIPM）稱之為重塑秒之定義的最有力候選之一。

這款終極時鐘由兼任理化學研究所團隊主任等職的東京大學研究所教授香取秀俊研發，是一項有望廣泛應用於社會各個領域的「日本原創」最尖端技術。

將鍶原子封入超微小「光晶格」中

現代人認為，古時候的人們是透過太陽和月亮的運動來辨識季節變化的。隨著文明的進步，16世紀義大利人伽利略·伽利萊發現單擺是按一定週期擺動的。受到這個發現的啟發，荷蘭人克里斯蒂安·惠更斯發明了單擺鐘。之後，使用發條的機械鐘和借助石英振動的石英鐘問世，並得到推廣。據說精確度最高的石英鐘精確度為100年誤差1秒。

20世紀後半葉，以原子振動頻率為標準的原子鐘誕生。過去的1秒是由地球圍繞太陽公轉的時間推導出來的，而到了1967年，原子質量為133的銫原子鐘成為了定義1秒的國際標準。原子躍遷至不同能量狀態時會吸收、釋放特定頻率的無線電波和光子。這種無線電波或光子的頻率像鐘擺一樣被視為時間的基準。這就是原子鐘。精確地說，就是把銫原子基態「超精細躍遷」狀態變化時，對應微波振動 9192631770 次所持續的時間，定義為1秒。目前據說最精確的銫原子鐘6000萬年誤差1秒，相對精確度約為1×10⁻¹⁵。

光晶格鐘更是將原子鐘的精確度提高了一個數量級，其誤差已經超出了人類感知的想像範圍。這是利用光子的新一代時鐘，而光子的頻率比銫原子鐘中使用的微波高出一個數量級。頻率越高，時間就越精確，所以時鐘的精確度將會實現飛躍式的提升。

另一個特點是使用鍶原子。要測量鍶原子吸收和釋放的光子的頻率。具體來說，透過干涉被稱為「魔術波長」的特定波長雷射，創建出一個形狀如雞蛋盒、名為「光晶格」的超小空間。然後將大約100萬個冷卻的鍶原子逐一封入光晶格中。接著以雷射光束照射到這100萬個原子上，並精確測量它們吸收振動的平均頻率來確定1秒的時間長度。

展現光晶格鐘如何捕捉單個原子的模型，2022年8月，位於東京都小金井市的資訊通信研究機構（時事）