日本成功利用光晶格钟测量海拔高差

2016-08-240阅读0

  东京大学与日本国土地理院2016年8月18日宣布,在直线距离相隔约15公里的东京大学与日本理化学研究所(理研)设置光晶格钟,通过高精度测量2台时钟的相对时间的延迟,以5cm的精度成功测出了两个地点之间的海拔高差。这种方法有望超越以往的时钟概念,应用于“使用相对论效应的高差测量”(相对论土地测量)。

  

设置在理研的2台低温运行的锶原子光晶格钟 (照片:东京大学的发布资料)

  光晶格钟是利用拥有“魔法波长”的激光,使其相互干涉形成比光的波长更小的区域,即“光晶格”,通过将原子封闭光晶格中,同时观测多个原子的原子钟。2015年有研究表明,2台低低温运行的锶光晶格钟之间的频率误差约为10-18,超过了铯原子钟。

  

实验设备的概要 (图:东京大学的发布资料)

  这一次,研究人员在东京大学设置1台、在理研设置2台低温运行的锶光晶格钟,使用约30公里长的光纤,将直线距离约15公里的两个地点连接起来。理研的激励激光经光纤传输到东大,通过共享2个地点激励激光的频率波动,同步测量的精度达到独立运转水平的平均时间为100分之1,大幅缩短了测量时间。

  

在半年内实施了11次的远程光晶格钟比较的结果

  蓝点是每次的测量结果,蓝色虚线是所有测量的平均结果。红线是日本国土地理院的水平测量结果,误差在5cm以内(浅蓝色条)(图:东京大学的发布资料)

  按照爱因斯坦的广义相对论,放置在不同高度的2台时钟,较低一方受地球重力的影响大,走时较慢。研究组在半年的时间里实施了11次频率比较实验。设置在理研的2台高度相同的时钟之间的频率误差约为1×10-18。而设置在东大的时钟振动比理研的时钟慢了1652.9×10-18,由此可以算出,2个地点的高差为1516cm。这一结果与国土地理院的水平测量结果之间的误差小于5cm。

  

使用光晶格钟网络的未来社会的概念图

  通过光纤连接的“量子水平点”群,可以在几个小时到几十年的广泛时间范围内,准确绘制出动态海拔高差变化、地下空洞和岩浆房所造成的重力变化的空间图(图:东京大学的发布资料)

  今后,为了将光晶格钟投入实用,研究组还将进一步提高时钟的精度,着手实现便携化、自动运行、远程控制并提高长期可靠性,争取在未来使远距离时钟的精度能够达到毫米级别。通过在各地配置光晶格钟,设置“量子水平点”,构建与其相连的光晶格钟网络“Internet of Clocks(IoC)”,将可以精密监控火山活动和板块运动等地壳运动(高度变化)。而且还有可能在汽车中搭载光晶格钟,用来勘探地下矿物资源、构建与GNSS互补的超高精度高差检测系统等。

  本次研究是日本科学技术振兴机构(JST)的战略性创造研究推进事业,以及日本文部科学省的旨在构建光及量子科学研究基地的基础技术开发事业的一环,部分研究得到了日本内阁府最尖端研究开发支援计划的援助。研究成果已于2016年8月15日(英国时间)发表在英国科学杂志《Nature Photonics》的网络版上。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)