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超高精度の「光格子時計」で標高差の測定に成功 ~火山活動の監視など、時計の常識を超える新たな応用に期待~

発表日時:2016年8月16日(火)

国土地理院及び東京大学大学院工学系研究科の香取秀俊教授(理化学研究所香取量子計測研究室主任研究員)の研究グループは、直線距離で約15キロメートル離れた東京大学(東京都文京区)と理化学研究所(埼玉県和光市)に光格子時計を設置し、2台の時計の相対論的な時間の遅れを高精度に測定することで、2地点間の標高差を5センチメートルの精度で測定することに成功しました。
なお、本研究は、JST戦略的創造研究推進事業及び文部科学省光・量子科学研究拠点形成に向けた基盤技術開発事業において実施され、本成果は、英国科学誌「Nature Photonics」(Nature Publishing Group)に掲載されています。

研究の意義

アインシュタインの一般相対性理論により、標高が高いほど時計の進みが速いことが知られていますが、その影響はごくごくわずかで、これまでの技術では計測が困難でした。今回、香取教授が開発した新しい超精密時計(光格子時計)を使い、標高に応じた時計の進み方の違いを計ることにより、離れた2地点間の標高差をセンチメートルレベルの高精度で計測することが世界で初めて可能となりました。
光格子時計で計る時間の進み方の違いは、お互いの距離が長くなっても誤差の累積を生じません。そのため、短距離では誤差が小さい一方で長距離では累積誤差が生じる水準測量を補完する技術として、標高基準系の効率的な維持管理に活用が期待されます(表)。また、実時間で計測が可能で、かつ長期間にわたって安定して計測できるという特徴を活かし、GNSS(全地球測位システム)と組み合わせて、数時間から数年というスケールで起こるさまざまな地震・火山現象にともなう地殻変動(標高変化)の計測に活用が期待されます。
 

(参考)光格子時計による標高差計測と水準測量との違い
  光格子時計 水準測量
メリット  ・ 長距離でも誤差が累積しない
 ・ 短時間で計測が可能
 ・ 長期で安定して連続計測が可能
 ・ 短距離では誤差が小さい
 ・ 簡便な機材で計測が可能
      デメリット       ・ 時計同士を光ファイバーで接続
 する必要がある
 ・ 長距離では誤差が累積する
 ・ 長距離の計測では時間がかかる
 ・ 連続計測は不可能

国土地理院の役割

国土地理院は、現時点では光格子時計よりも高い精度で標高差を計測できる水準測量を用いて検証用のデータを取得し、光格子時計で測定した標高差を検証するとともに、光格子時計を用いた標高差計測の活用について、標高計測の専門家の立場から検討を行いました。
国土地理院は、標高基準系の維持管理や、地殻変動計測への応用を目指し、今後も連携して研究をすすめてまいります。

問い合わせ先

<国土地理院に関連すること>
国土交通省国土地理院
〒305-0811 茨城県つくば市北郷1番
測地部           物理測地課長    矢萩 智裕  TEL 029-864-4767(直通)
地理地殻活動研究センター  宇宙測地研究室長  宗包 浩志  TEL 029-864-4832(直通)                               
                               FAX 029-864-2655

光格子時計全般に関するお問い合わせは、以下のリンク先の問い合わせ先をご参照ください。

詳しく知りたい方へ

JSTホームページへのリンク
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20160816/index.html

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