1. 증여자

2. 프레젠테이션 포인트

• 이것은 18 자리의 정확도를 가진 휴대용 광학 격자 바카라 규칙의 세계 최초의 성공적인 개발입니다 (100 억 년 당 1 초의 편차와 동일).
• 일반 상대성 이론은 1 층에 설치된 2 개의 휴대용 광학 격자 바카라 규칙와 도쿄 Skytree의 전망대를 사용하여 검증되었습니다. 이 연구에서 얻은 검증 정확도는 이전에 10,000 킬로미터의 높이 차이가 필요한 위성을 사용한 실험에 더 가깝습니다.
• 고정밀 휴대용 광학 격자 바카라 규칙의 시연은 야외에서 광학 격자 바카라 규칙의 사회적 구현을 ​​향한 주요 단계입니다. 플레이트 움직임 및 화산 활동과 관련된 지각 운동을 모니터링하는 것과 같이 상대 론적 감지 기술이 미래에 실질적으로 활용 될 것으로 예상됩니다.

3. 프레젠테이션 요약

Riken의 Takamoto Masao와 도쿄 대학 (Riken Institute의 팀 리더/최고 연구원)의 Katori Hidetoshi 교수로 구성된 공동 연구 그룹은 Shimadzu Seakusho와 협력하여 Shimadzu Seakision과 협력하여 18 개의 DIT Application Appleation Appleation Appleation Appleation Appleation Lattice와 협력했습니다. 도쿄 스카이 트리의 1 층과 지상 450 미터의 관측 데크에 두 시계가 장착 된 방식의 차이를 측정하고, 일본의 지리 공간 정보 기관에 의해 측정 된 고도의 차이와 결과를 비교하면서, 우리는 전통적인 위성을 사용한 실험에 접근하는 정확도로 일반 상대성 이론을 성공적으로 확인했습니다. 인공 위성 또는 로켓에 원자 시계를 장착하여 측정하여 이번에 개발 된 휴대용 광학 격자 시계를 사용하여 외부 공간과 표면 사이의 약 10,000km의 고도 차이를 생성함으로써 측정 된 기존의 공간 실험과 비교하여 10,000 배 적은 차이와 비슷한 실험을 수행 할 수있게되었습니다.
많은 일반적인 상대 론적 영향은 "보편적 스케일"현상으로 논의되었지만 18 자리 정확도가있는 원자 바카라 규칙로 시간 지연이 몇 센티미터의 "일일 척도"높이 차이로 인해 관찰 될 수 있습니다. 결과적으로, 기존 기술 (주)의 범주에서 고려되지 않은 새로운 "상대 론적 감지 기술"이 만들어졌습니다. 현재까지 실험실 환경에서 입증 된 초고속 광학 격자 바카라 규칙의 소형화 및 완료성은 야외 활동의 시연 이이 "상대 론적 감지 기술"의 실질적인 적용에 대한 주요 획기적인 혁신입니다.
고정밀 휴대용 광학 격자 바카라 규칙는 플레이트 움직임 및 화산 활동으로 인해 여러 센티미터를 모니터링하는 등 향후 소셜 인프라에서 구현 될 것으로 예상됩니다. Plate Movements 및 Volcanic 활동으로 인해 여러 센티미터를 모니터링하고, GNT (Global Satellats) 및 Globle Satellate Satells (Global Satellats) 및 중력 측정 시스템을 확립 할 수 있습니다. 고감도 중량 측정기.
이 연구는 일본 과학 홍보 협회 (JSPS) 특별 프로모션 연구 (JSP)와 일본 과학 및 기술 기관 (JST) 미래 사회 제작 프로젝트의 부분적 지원바카라 규칙 수행되었습니다.
이 바카라 규칙의 결과는 2020 년 4 월 6 일 (영국 시간)에 출판 된 영국 과학 저널 "Nature Photonics"에 발표 될 것입니다.
(참고) 지금까지, 지금까지, 최고 성능의 Cesium Atomic Clock (16 자리 바카라 규칙)을 사용하더라도 며칠 동안 측정 한 후에도 10 미터의 고도 차이로 인해 시간 지연을 관찰 할 수있었습니다. 따라서 상대 론적 효과를 사용하여 고도 측정의 장점을 찾기가 어려웠습니다.

4. 프레젠테이션 세부 사항

고정밀 원자 바카라 규칙는 고속, 대용량 통신 및 위성 포지셔닝과 같은 현대 사회의 핵심 기술로, 높은 정밀도와 동기화 된 시간이 필요합니다. 현재 세슘 원자 바카라 규칙는 국제 단위 시스템에서 1 초를 정의하여 5 천만 년 당 1 초의 편차와 동등한 정확도를 달성합니다. 정확도를 100 배 이상 향상시키는이 광학 격자 클록 (주 1) (그림 1)은 차세대 "초"정의에 대한 유망한 후보로 주목을 받고 있으며 전 세계에서 연구되고 있습니다. 정확도는 100 억 년 당 1 초의 편차에 해당합니다 (정확도 18 자리 (주 2)).
이러한 고정밀 원자 바카라 규칙에서, 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에서 파생 된 시간 지연 (주 3)으로 인한 시간 지연 (주 3)의 "중력 적색 편이"효과 (주 4)는 지상의 몇 센티미터 높이의 높이의 차이로 관찰 될 수 있습니다. 바카라 규칙 주파수에서 중력 적색 편이를 사용하여 고도 차이를 측정하는 것은 "상대 론적 감지 기술"인 "상대 론적 감지 기술"의 새로운 적용으로 주목을 끌고 있습니다. 그러나 고정밀 원자 바카라 규칙는 실험실에서만 작동 할 수있는 복잡한 장치였습니다. 고정밀 원자 바카라 규칙의 소형화 및 이식성과 실험실 밖에서도 안정적으로 작동 할 수있는 견고성은 "상대적 감지 기술"을 실질적으로 적용하는 데 어려움을 겪고 있습니다.
연구 그룹은 실험실에서 사용 된 대형 광학 표면 플레이트의 레이저 장치를 포함하여 광학 시스템을 통합하여 제어 시스템에 박스를 넣었습니다. 이것은 실험실 환경에서 실현 된 바카라 규칙의 정확도를 저하시키지 않으면 서 컴팩트 한 스트론튬 광학 격자 클록을 개발했으며 실험실 외부의 환경에서도 18 자리의 정확도를 달성 할 수 있습니다 (그림 2). 또한, 총 17 개의 레이저 장치에 대한 주파수 제어를 자동화하여 오랫동안 안정적으로 작동 할 수 있도록 인터넷을 통해 원격으로 작동 할 수있는 시스템을 만들었습니다.
연구 그룹은 두 곳에 휴대용 광학 격자 바카라 규칙를 설치했습니다. 1 층과 도쿄 Skytree의 전망대는 약 450 미터의 고도 차이를 제공합니다. 중력 적색 편이는이 두 광학 격자 바카라 규칙 사이의 주파수 차이를 측정하여 결정되었습니다. 한편, 상대적인 중력 미터를 사용한 중력 측정을 통해 GNSS 측량, 레벨링 측량, 레이저 거리 측정 등을 사용한 고도 차이 측정을 결합함으로써, 우리는 두 바카라 규칙 사이의 중력 전위 (단위 질량 당 잠재적 에너지 차이)의 차이를 계산했습니다. 이러한 방식으로 얻은 중력 적색 편이와 중력 전위차를 비교함으로써, 우리는 일반 상대성 이론에 대한 검증 실험을 수행했습니다.
그림 3은 실험의 개요를 보여줍니다. 원자의 공명 스펙트럼은 450 미터의 고도 차이에 의해 약 21 Hertz로 이동하는 것으로 관찰되었다. 각 바카라 규칙는 스펙트럼의 피크와 지속적으로 공명하도록 제어되었고, 며칠 동안 공명 주파수의 차이를 평균화함으로써 바카라 규칙의 주파수 차이 Δν를 높은 정확도로 측정했습니다. 약 1 주일 동안 평균화함으로써, 관찰 데크 바카라 규칙는 상대적 주파수가 Δν/ν = (49,337.8 ± 4.3) × 10^-18높음 (시간 전진)이 측정되었습니다 [그림 4 (b)]. 그 후, 두 바카라 규칙를 Riken Institute로 가져 와서 같은 높이에 설치하여 측정했으며 상대 주파수 차이는 (-0.3 ± 4.7) x 10^-18, 즉 측정에 사용 된 클록은 18 자리의 바카라 규칙와 일치하도록 확인되었습니다 [그림 4 (c)].
반면에, 두 바카라 규칙 사이의 고도 차이 ΔH는 두 가지 방법을 사용하여 측정되었다 : GNSS 측량, 레벨링 및 레이저 거리, 중력 가속도는 상대적 중력 측정기를 사용하여 측정되었다. 이 결과로부터, 두 바카라 규칙 GΔH/C²= (49,337.1 ± 1.4) × 10^-18.
일반 상대성 이론에 따르면 중력 적색 편이는 중력 전위의 차이와 같습니다 (주 5). 기존 측정 방법에 의해 얻은 중력 전위차와 바카라 규칙와 함께 얻은 중력 적색 편이를 비교함으로써, 우리는이 예측을 할 수 있습니다 (1.4 ± 9.1) x 10^-5의 정확도로 확인. 이 결과는 약 10,000km의 고도 차이를 사용하는 로켓/위성을 사용한 상대적 검증 실험에 정확하게 정확합니다. 이전보다 10,000 배 더 정확한 원자 바카라 규칙를 사용함으로써 우주 실험보다 10,000 배 적은 수준의 고도 차이로 비슷한 실험을 수행 할 수 있습니다.
이러한 매우 정확한 휴대용 광학 격자 바카라 규칙를 사용하면 GNSS 조사로 감지하기 어려운 몇 센티미터로 플레이트 움직임으로 인해 크러스트의 상하 이동을 모니터링 할 수 있으며, 몇 시간에서 몇 년에서 몇 시간의 시간 규모에 발생하는 지각 운동 (고체 변화)을 정확하게 관찰합니다 (6). 또한, 광학 격자 바카라 규칙는 GNSS 및 고감도 중력 측정기, 지하 자원 탐사, 지하 캐비티 및 마그마 풀 감지와 함께 보완적인 용어로 사용할 수있는 초고속 고도 차이 측정 및 포지셔닝 시스템을 확립함으로써 미래의 사회적 기초가 될 가능성이 있습니다. 앞으로 광학 격자 바카라 규칙의 실질적인 사용을 준비하기 위해 추가 소형화 및 휴대용 바카라 규칙가 가속화 될 것이며, 새로운 측지 기술이 적용될 것으로 예상됩니다.

5. 잡지 프레젠테이션

잡지 이름 : "Nature Photonics"
종이 제목 : 한 쌍의 운송 가능한 광학 격자 바카라 규칙에 의한 일반 상대성 테스트
저자 : Masao Takamoto [1,2], Ichiro Ushijima [3], Noriaki Ohmae [1,2], Toshihiro Yahagi [4], Kensuke Kokado [4], Hisaaki Shinkai [5] & Hidetoshi Katori [1,2,3]
[1] Quantum Metrology Laboratory, Riken, Wako, Saitama 351-0198, Japan
[2] 시공간 엔지니어링 바카라 규칙 팀, Riken, Wako, Saitama 351-0198, Japan.
[3] 바카라 규칙 대학교 공학 대학원, 공학 대학원 응용 물리학과, 일본 바카라 규칙 쿤키오 쿠 (Bunkyo-Ku) 113-8656.
[4] 일본의 지리 공간 정보 당국, 이바라키 305-0811, 일본.
[5] 오사카 기술 바카라 규칙소, 키타야마, 히라 카타, 오사카 573-0198, 일본.
doi 번호 : 10.1038/s41566-020-0619-8
Abstract URL :https://www.nature.com/articles/s41566-020-0619-8

6. 어휘

참고 1) 광학 격자 바카라 규칙
2001 년 Katori Hidetoshi에 의해 발명 된 차세대 원자 시계는 도쿄 대학교 공학 대학원 교수. 먼저, 레이저-냉각 된 원자는 원자 사이의 상호 작용을 방지하기 위해 "매직 파장"이라는 특수 파장의 레이저 빛과의 간섭에 의해 마이크로 스페이스 (Light Lattice, 그림 1)에서 하나씩 캡처됩니다. 다음으로, 레이저 광은 이들 원자에 적용되며 빛을 흡수하는 "원자 진자"의 주파수를 정확하게 측정합니다. 이 빛의 진동을 세고 1 초의 길이를 결정하십시오. 많은 원자가 전체 광학 격자에서 캡처 될 수 있으므로, 이들 "원자 진자"의 주파수를 한 번에 측정하고 평균을 취하여 짧은 시간에 시간을 결정할 수 있습니다.

참고 2) 18 자리 바카라 규칙
클록 정확도는 특정 시간이 지나간 후 ​​시간 편차에 따라 평가됩니다. 예를 들어, 매월 차이가 10 초인 바카라 규칙는 약 4x10^-6| 바카라 규칙의 정확성입니다. 이것은 지수 번호로 간주되며 6 자리 정확도를 가진 바카라 규칙라고합니다. 18 자리 정확도는 약 100 억 년 동안 측정 한 후 1 초 밖에 걸리지 않습니다. 이러한 바카라 규칙의 정확도는 바카라 규칙의 진자의 주파수의 정확도에 의해 결정됩니다.

주 3) 일반 바카라 규칙
Albert Einstein이 지은 현대 물리학의 기본 이론 중 하나입니다. 중력장은 물질 주위에서 발생하는 시간 및 공간 왜곡으로 표현됩니다. 일반적인 바카라 규칙으로 이어지는 것 중 하나는 중력이 강한 곳에서 시간이 천천히 흐르는 것입니다.

참고 4) 바카라 규칙 적색 편이
중력이 강할수록 시간이 느려지는 현상. 중력장에서의 빛의 파장이 증가하기 때문에 "적색 편이"라고합니다 (낮은 주파수로 이동). 중력 적색 편이의 검증은 다른 관성 시스템 간의 실험을 비교하는 것을 의미하며, 아인슈타인의 동등성 원리를 검증하는 것과 동일하며, 이는 "중력장의 실험과 동일한 가속 운동을 가진 시스템의 실험을 구별 할 수 없습니다"라고 말합니다. 이 동등성 원리가 깨지면 일반 바카라 규칙의 출발점이 위험에 처해 있습니다. 이 연구에서 우리는 "일반 바카라 규칙 이론의 검증"이라는 용어를 언급합니다.

참고 5) 중력 전위차가 충분히 작을 때,이 실험바카라 규칙와 같이 매우 좋은 근사치가됩니다.

참고 6) 몇 시간에서 몇 년 (또는 그 이상)의 시간 규모로 센티미터를 적절하게 측정하는 능력은 또한 광학 격자 바카라 규칙를 사용한 상대 론적 감지 기술의 특징입니다. 광학 격자 바카라 규칙에 다수의 원자를 사용함으로써, 고정밀 고도 측정은 단기간 (몇 시간) 내에 수행 될 수있다. 반면, 원자 바카라 규칙에 필요한 시간은 일정하여 장기 (몇 년 이상)의 안정성을 보장합니다. 시간 규모가 몇 시간에서 몇 년 (또는 그 이상)에 걸쳐 센티미터 정확도를 유지하는 것은 전통적인 수준의 설문 조사 또는 GNSS 설문 조사에서 찾을 수없는 기능입니다.

7. 첨부 파일

그림 1 광학 격자 바카라 규칙의 단순화 된 다이어그램

원자 (구형 모양)는 레이저 광 간섭에 의해 생성 된 마이크로 스페이스 (바카라 규칙 격자 (Egg Carton-Like))에 캡처됩니다. 바카라 규칙 격자는 마법 파장이라는 특수 레이저 파장으로 구성됩니다. 원자의 접지 및 여기 상태는 광자계 레이저에 의해 동일한 크기의 에너지 이동을 겪으므로, 원자 진자의 주파수는 광전 장에도 불구하고 변하지 않는다.

그림 2 2 휴대용 광학 격자 바카라 규칙 개발

2 개의 휴대용 광학 격자 시계가 개발되었습니다. 레이저-냉각 스트론튬 원자는 광학 격자에서 포획되며, 클록 전이는 일정한 온도-냉각 챔버에서 높은 정확도로 스펙트럼에 스펙트럼을합니다. 시계 분광법을위한 진공 챔버, 2 개의 레이저 상자 및 레이저 분배기로 구성됩니다. 클럭 분광학 진공 챔버는 자기 방패 내부에 제작되어 설치 위치에서 환경 자기장 노이즈를 제거 할 수 있습니다. 각 클럭은 레이저 분배기에 의해 분기 된 광섬유로 연결되어 시계 분광법, 좁은 선 너비 냉각 및 광학 그레이팅을위한 레이저 주파수를 공유 할 수 있습니다. 레이저 상자의 상단에는 광학 시스템이 장착되어 있으며 바닥에는 레이저 전원 공급 장치와 제어 시스템이 장착되어 있습니다.

그림 3 도쿄 스카이 트리에서 일반 바카라 규칙 검증 실험 요약

1 층에 설치된 2 개의 휴대용 광학 격자 바카라 규칙와 전망대는 광 섬유를 사용하여 연결되어 클록 전이의 주파수를 비교합니다. 한편, 두 바카라 규칙 사이의 고도 차이는 기존의 측량 방법 (GNSS 측량 및 레이저 범위)을 사용하여 측정된다. 바카라 규칙 전이의 분광법에 의해 얻어진 스펙트럼에서, 450 미터의 고도 차이에 해당하는 대략 21 Hertz의 주파수 이동이 관찰되었다.

그림 4 도쿄 스카이 트리에 설치된 두 바카라 규칙 간의 고도 차이와 주파수 차이의 측정 결과

(a) 클럭 비교, GNSS 측량 및 레이저 범위에 의해 얻은 중력 전위차. 각 데이터가 오류 내바카라 규칙 일치하는 것으로 나타났습니다.
(b) 1 층에 설치된 2 개의 광학 격자 바카라 규칙의 중력 적색 편이 및 전망대.
(c) 같은 높이에서 설치된 두 바카라 규칙의 주파수 차이. 두 바카라 규칙는 18 자리 숫자의 정확도와 일치하는 것으로 나타났습니다.