原子時計の仕組みについて教えて下さい

原子時計は特定の電磁波の周期（山と谷の数）を計測することで、
その回数を計測してそれを1秒に見立てるらしいですが、
例えば光であれば1秒間に800兆箇所も山と谷があると思います。
この山と谷についてどのように観測してカウントするのでしょうか？
半導体にしてもここまで素早く計算できる演算チップなど無いような気がします。
光格子時計の説明をNHKで見ていてとても気になりました。
宜しくお願い致します。

No.12 回答者： joshua01 回答日時： 2018/10/27 00:20

No11です。

　すみません。ウソをついてました（泣）
　面白そうな質問を偶然見つけて、また、少し前に偶然、この問題に近いものについて勉強させてもらう機会があったので、勢いで回答してみましたが、あらためてその資料を探してみたら、私の記憶（理解）は勘違いでした。ごめんなさい。
https://www.nict.go.jp/press/2018/03/15-1.html
（上記HPの方法は、いわば、GHz帯の原子時計を光格子時計で校正する方法で、光格子でとどめた原子で、それに同調するGHz帯の波を使うわけではなかった。）

　あらためて、「電波を原子にぶつけた際、特定の周波数で原子の状態が変わるので、これを観測して制御すればぶつけた電波の周波数を精度良く制御できる」という基本的な説明は訂正しないまま、「その周波数は光の周波数である数百THZなので、何とかしてこの周波数を測定する必要がある」という部分を訂正した上で、
ご質問が、「光格子時計で使用する100THz級の光の周波数をどのように測定するのか」という問題として解説してみます。
（まあ、これも資料からの単純化受け売りで・・・いわゆる「光コム」です）

　ポイントは、「電波の強さを変動させると、あら不思議、別の周波数の電波が発生する。これを使って、「低い周波数」に変換できる」

　まず、「振幅変調と周波数」について次のような現象をご理解ください。
　「音」は空気の圧力の揺らぎであることがご存知でしょう。
　この揺らぎ具合の情報を、うまく電波に乗せることができれば、遠くまで「音」を伝えて再現でき、これが「ラジオ」であることはご理解でしょう。
　「音」である「空気の圧力の揺らぎ」を電波に乗せる方法にはいろいろありますが、最も簡単な方法は、「空気圧が高ければ電波を強くし、空気圧が低ければ電波を弱くする」というものですね。
これを「振幅変調」と呼びます。
当然、変動させるのは電波の「強さ」であり、「周波数」は一定のはずですが・・・。

　ところが、「フーリエ変換」という分析をしてみると、何と、別の周波数のエネルギーが発生し、そのルールはきわめて単純です。
例えば、1000KHz（1MHz）の電波の強さを、1KHz（ピーと言う感じの音）の周期で変動させます。強さは変動するものの、どの部分をとっても電波の周波数は1000KHz（一秒に百万回のペース）のはず。
ところが、あら不思議、実際には1000KHzのほかに±1KHzの、999KHzと1001KHzの成分が発生し、合計3本の電波が発生した状態になります。
（もし、2KHzで変動させると、±2KHzの998KHzと1002KHzが新たに発生。単純ですね。この原理はうまく説明できませんが、電波が発見されたさらに100年以上前に、波の研究をしていたフーリエさんという人が数式上で予言していました。現に特殊な受信機で受信してみると3本受信できます。）

そうなれば・・・
・まず、「100THzの電波（光）を、99THzの周期で変動させると、199THzと、1THzが発生するので、この1THzの周波数を調べればよい」というのはご理解いただけるでしょう。
・でも、99THzの周期の波を作ることも大変。そこで、例えば1THzの「短パルス列」を使います。実は「短パルス列」はパルス周期の奇数倍の電波成分を無限に持つ・・・と言う原理があります（これもフーリエさんの予言。試しに、1MHzの短パルス列を発生させて受信機で受信してみると、1MHz、3MHz、5MHz、7MHz・・・でちゃんと入感します。驚き）
・で、100THzを、1THzの短パルス列で変調すると、±１THｚ、±3THz、±５THz・・・±99tHzが発生！。１THz付近の成分が発生するのでこの周波数を計ればもとの周波数がわかる！（めでたしめでたし）

・・・ということですが、すみません。私もここまでが限界です。
　例えば、１THｚの短パルスの発生も簡単ではないはずだし、「1THzのパルス列」の周期が誤っていると結局誤差になるので、このパルス列は計測した周波数をもとに反映して作る必要もあるのですが、巧妙で簡単な方法があるらしい・・とか・・・。

　まだまだなかなか難しいところですが、ひとまず、お詫びと訂正とわかる範囲での補足まで。
お役に立てば幸いです。

No.11 回答者： joshua01 回答日時： 2018/10/26 12:47

こんにちは。

光格子時計について勉強されたのですね。私も専門家ではないのですが、少し論点がずれている点もあるようなので、回答してみます。次のような回答ではいかがでしょう。
ポイントは、「光の周波数は時間計測には使っておらず、原子を安定させるためだけに使っている。時間計測は、結局、GHz帯の電波で行っている。」

原子時計そのものの原理が難しい上に、光格子時計などと言うものが出てくると理解が難しいですね。
　質問者さんもいろいろ勉強されて相当に理解されているようですが、次のような説明だと納得されますかね？

・まず、「原子時計は電波を使ってその周波数から時間を計測する」ことになっていますが、実際に目標原子が電波を出すわけではありません。詳しい説明は（私も怪しいので（笑））省略しますが、まず、「原子の中の電子の回っている軌道は外からの特定の周波数の電波の刺激により変化する」ことが、この原理の基本といえるでしょう。。
・この特性を利用し、まず、「だいたい合っている周波数」の電波を送信機からその原子にぶつけ、少しずつ周波数を変動させてみる。
・すると、ある特別の周波数のときに原子の状態が急に変動するのが観測されるので、次々投入した原子が次々に変動するということが継続するように送信機の周波数を始終調整していれば、その送信機の周波数を超高精度に維持できる・・・。

　ここまでが原子時計ですね。次に光格子時計は、この改良版です。

・原子の状態の変動を観測することで周波数（時間）が高精度に維持できるが、原子自体が熱で運動したり、周囲の原子と相互干渉するので、その分は誤差になる。何とかして原子を止めておきたい。
・そこで、光を使う。光は電波だが、その波長が原子1個分くらいにちょうどいいので、波長のそろったレーザー光を反射させると特定の場所で相互干渉して止まったようにみえる「定在波」を生成すると、あたかも「格子」のように働いてそこに原子を入れると、位置が安定しお互いの干渉もさけられるほか、多くの原子が同時に状態変化をすることが観測できるのでさらに精度が上がるという利点もある。
・一方で、光そのものは原子の入れ物としてしか使わないので、観測するのは周波数は数十GHz程度の電波の振動。（なお、毎秒　数百億回の遅い振動なので、高精度の計時のためには、長時間、振動数をカウントする））

ということで、基本的にはカウント速度はさほど大きくない・・・ということになろうかと思います。
　さてさて、いかがでしょうか。
　少し長くなってしまいつつも多少単純化しすぎた説明かもしれませんが、大きく間違ってはいないはず（笑）です。
お役に立てば幸いです。

No.10 回答者： tohoho2 回答日時： 2018/10/25 21:38

原子時計の仕組みと光周波数コムについては、

http://www.nict.go.jp/publication/shuppan/kihou- …

とか、

https://annex.jsap.or.jp/photonics/kogaku/public …

があるが、高校生には難しいか？

No.9 回答者： fxq11011 回答日時： 2018/10/25 10:03

>原子時計ですが見た目は大きな箱で時計と言うよりも実験装置みたいな感じのようです

大きな鉾は多分ですが、液体ヘリウムで冷却するためでしょう。

No.8 回答者： m-jiro 回答日時： 2018/10/24 22:51

原子時計の動作はよくわからないのですが、Wikiによるとマイクロ波を当てて最大励起になる周波数を求め、その周波数を91億9263万1770Hz(以下9.2GHzと略記)としているようですね。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90 …
私の理解が間違っていなければ簡単な方法があります。
9.2GHzをいきなり作るのではなくカウンタICが応答できるような低い周波数から逓倍(ていばい)して作れば良いのです。
例えば2.3GHzを4逓倍するとか、1.02GHzを9逓倍するとか。そんなに難しい技術ではありまん。わざと歪の多い増幅回路を通し(例えばダイオードでクリップしても良い)、その出力側に2倍とか3倍あるいはもっと高逓倍の共振回路を設けて希望の周波数成分だけを取り出すものです。無線機では古くから使われている技術です。
後は2.3GHzからどうにかして10MHzとか1Hzとかを作れば良いのです。
2.3GHz(正確には2298157942.5Hz)からどうやって10MHzを作るのか？ 小生にはこっちの方がハテナですが・・・


ちょっと余計なこと・・・
プリスケーラーというのは超高速のカウンターです。機能としては普通のカウンターです。
現在のロジックICがどの程度の周波数まで応答するのか知りませんが、私がロジックを始めた1980年頃はTTLが120MHz程度、もっと高速ではECLというのがありました。10進カウンターで500MHz程度、4進カウンターが2GHz程度まで動作したように思います。
これを50MHzまで計測できる周波数カウンターの前に設置すると500MHzまで計測できるわけです。表示値はもちろん10倍して読み取ります。
カウンター本体の前に設置するので Pre-Scaler(前置倍率器)と呼んでいます。

No.7 回答者： tknakamuri 回答日時： 2018/10/24 19:29

AN06です。

あくまで私のはANO1さん繋がりでセシウム原子時計の話ね。
あれは.光でなくてマイクロ波なので扱いやすいです。
最先端の光格子時計は分かりません(^-^;

この回答へのお礼

ありがとうございます。セシウム原子時計の場合でもとても不思議に思っていましたので助かりました。

お礼日時：2018/10/26 01:38

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2018/10/24 19:22

>プリスケーラーの仕組みを簡単に説明したサイト

>（高校生でも理解できる程度があれば）

サイトは知りませんが手元のメーカーのデ―タシート
を見る限り、Dフリップフロップ幾つか入っているだけ。
1GHz入力だと500円くらい(^-^;

Dフリップフロップというのは周波数を半分に落とす
「分周器」と呼ばれるものです。
#正確にはDフリップフロップをそういうふうに使ってます。

高校生だと、まずはフリップフロップの動作原理から
探してみるのがよいかと。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
Dフリップフロップ回路で検索すると大量にヒットしました！
とての有用なアドバイスありがとうございますm(_ _)m

お礼日時：2018/10/26 01:36

No.5 回答者： fxq11011 回答日時： 2018/10/24 17:17

特定の電磁波、なんでしょう。

時計というからには、一応実用品、それにわざわざ光を特定する必要もないと思うけど？。
確か、振動による波動は異なる周波数を混ぜると、その差の周波数が得られたはず？。
実際マイクロ波の受信機でも使われているはず、半導体の応答速度もそうですが、配線だけでも、コイルと同じ効果が出てしまうので、初段だけはそのままの周波数でとりあえず増幅、以降は差分に落とした周波数で増幅、その他の処理を行っているはずです。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
原子時計ですが見た目は大きな箱で時計と言うよりも実験装置みたいな感じのようです。また、現在の1秒の定義は「セシウム133の原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移により放射される電磁波の周期の9192631770倍に等しい時間」とのと事です。そうしますと、正確な日本の標準時を計測するにはこの定義通り光の波長を観測し、その観測結果から1秒を求めているのではないかと思うのです。
実際、この数値は正確に時間を刻んでいるらしく時計の高さが1m違うと時間の進み方が異なり、周波数が変わるそうです。
そのため、1秒の長さも地面の高さ（重力の違い）によって異なると番組ではやっていました。
ただ、1mの高さで時空の歪みを計測するには、精度良く電磁波を発生させ、測定しているわけでして、発生装置は香取先生の発明で画期的らしいです。ただ、個人的にはその僅かな波長の違いを測定できる測定装置がかなり凄い装置に思え、番組では取り上げなかった測定装置側に興味を持っています。ネットで調べてもSr原子の共振周波数の発生が画期的だという話はたくさん見つかるのですが、測定装置側の説明が見つけられず疑問に思っています。

周波数を混ぜるというのは、うなりという話ですかね。
それっぽいワードで調べると光コムというものが見つかりました。原理的にはこれっぽい気がしてきました。
http://www.nikkei-science.com/page/magazine/0807 …

お礼日時：2018/10/24 17:45

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2018/10/24 16:52

No.2です。

> 光の波長を簡単に変える方法が思いつきません。もしよろしければ…
光もドップラー効果があると言われ、波長は変わります。
疑問があれば自身で調査する努力が必要で、教えてくんでは知識になりません。
そんな方への助言は控えたく…

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
実は分周という言葉を聞いて、1時間くらいググったのですが光を分周する方法が見つからないのです。適切な検索ワードはどのようにして見つければいいのでしょうか？光のドップラー効果ですが音などであればよくありますよね。ただ、光は極めて高速で一般的な半導体で検知可能なレベルまで波長を変える方法は見つかりませんでした。天体の動きほどの速度では赤方偏移が起こる事は知られていますが今回の装置は高速に動いているわけではありませんし・・・
因みに、この質問をする前は2日くらい調べています。光格子時計について凄いのはSr原子をトランプするところはどこのサイトでも強調されているのですが、それで計測したTHzというとてつもない周期の共振周波数を精度良く調べる方法が発見できないのです。

お礼日時：2018/10/24 17:34

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2018/10/24 10:25

想像ですけど、ある意味直接測定じゃないかな。

9GHzのマイクロ波をカウントできればよいので、
高速のプリスケーラー等で周波数落としてカウントすれば
ー秒を作れそう。

市販のプリスケーラーは4GHzくらいまでのは知ってるけど
きっともっと良いのがあるのでしょう(^-^; たぶん。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
もしよろしければ、プリスケーラーの仕組みを簡単に説明したサイト（高校生でも理解できる程度があれば）などあれば教えて頂ければ幸いです。
なお、ストロンチウムの共振周波数は可視光領域らしく、周波数で言うと405–790THz程度らしいです。
プリスケーラーというものは一般にある程度精度良く周波数を落とせるのでしょうか？
余談ですが、簡単に周波数を落とせるのであればソーラーパネルなども効率的に発電できそうですね。

お礼日時：2018/10/24 16:31