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～

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。

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。
 

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。