理論上の限界ぎりぎりまで正確な「究極の時計」の作り方を発見
原子時計は、人類が作った中でも飛び抜けて正確な時計です。
もしビッグバン直後から動かし続けていたとしても、今日までのずれは約1秒にとどまるほどです。
ここまで正確だと、ひとつの疑問がわいてきます。
時計の正確さは、どこまでも上げられるのでしょうか？
実は物理学では、時計の正確さには越えられない天井があると考えられています。
ただ、その天井ぎりぎりの時計を、現実に作れる仕組みで組めるのかは、はっきりしていませんでした。
今回、ある研究チームが、量子の部品を一列につないだ時計の設計図を示しました。
その時計は天井にどこまで迫り、どんな意外な性質を持っていたのでしょうか？
研究の詳細は、2026年11月3日付で学術誌『Physical Review Research』に掲載されました。
時計のチクタクが必ず「ゆらぐ」わけ
そもそも時計の仕事は、時間の基準を示すことです。
そのために時計は、外から「今だよ」と合図をもらわず、自分だけで信号を出さなければなりません。
外の合図に頼るなら、その合図を出す別の時計が先に必要になってしまうからです。
研究チームによると、そのため時計は「勝手に起きて、元に戻らない出来事」を内に持つ必要があります。
その出来事を1回ずつの「チクタク」として数えると、起きるタイミングはどうしても確率に左右されます。
つまり、チクタクの間隔には必ず小さなばらつき(ゆらぎ)が生まれるのです。
このゆらぎの大きさが、時計が長くずれずに刻み続けられるかどうか、つまり精度を決めます。
ゆらぎは工夫で小さくできても、熱とエネルギーの法則(熱力学)からくる下限があり、ゼロにはできません。
この下限は、二重量子ドットという小さな電子部品を使った実験でも示されています。
さらに、前のチクタクを覚えていない時計には、どんな作り方をしてもかかる縛りがあります。
それが「精度と分解能のトレードオフ」です。
分解能とは、どれだけ細かく時を刻めるか、つまりチクタクの速さのことです。
この縛りでは、チクタクを速くするほど精度の上限は下がり、その上限は速さの2乗に反比例します。
たとえばチクタクを2倍速くすると、精度の上限は4分の1になる計算です。
細かく刻むことと、ずれにくいことは、両立しきれないのです。
これまでにも、部品のつなぎ方の工夫などで、時計の性能を上げる方法は見つかってきました。
しかし、現実的な仕組みでこの天井にどこまで迫れるのかは、分かっていなかったのです。
鎖の「はじっこ」を整えると？
そこで研究チームが目をつけたのが、小さな磁石のような量子の部品(スピン)を一列につないだ「スピン鎖」です。
この時計では、エネルギーの粒(励起)が鎖の中を運ばれていきます。
そしてエネルギーは、それを吸い込む出口(シンク)に吸収されます。
出口からエネルギーが外へ逃げていくので、これは「散逸する」スピン鎖と呼ばれます。
大事なのは、部品どうしのつながりの強さが、時間とともに変わらない固定のものだという点です。
つまり、誰かが外からタイミングを操作しなくても、時計はひとりでに動きます。
ただし、つながりの強さをどう決めるかで、チクタクのばらつきは変わってきます。
研究チームは、まず鎖全体のつながり方の型を決めました。
それは、量子の情報を鎖の端から端までそっくり送り届ける「完全状態転送」で使われてきた、よく知られたつながり方です。
そのうえで調整したのは、出口に近い最後の4本のつながりと、全体の強さをそろえて変える倍率です。
調整には、生き物の進化をまねて、よい答えを少しずつ選び残していく計算手法(差分進化)を使いました。
すると、うまく働く答えには共通の特徴が見えてきました。
鎖の最後のつながりを、その1つ手前より強くしないと、エネルギーが鎖の中に残る確率がゼロまで下がらなかったのです。
研究チームは、鎖の長さを部品10個から2000個まで変えて、この調整を繰り返しました。
その結果、精度とチクタクの速さの関係は、天井と同じ「2乗に反比例」の形をとるようになりました。
短すぎる鎖のデータを外していくほど、その関係を表す数字は「-2乗」にぴったり近づいていったのです。
これは、この設計の性能の伸び方が、理論上の天井の伸び方と一致したということです。
前のチクタクを覚えていない時計でこれまでに知られていた結果では、この数字はおよそ「-4/3乗」で、天井の伸び方には届いていませんでした。
しかも研究チームは、この仕組みは物理的に作れ、実験でも手の届くものだと述べています。
研究チームの計算では、時計の天井は理屈の上の話ではなく、現実の部品で届きうる目標になったのです。
雑なタイミングでも精度が落ちない「切り離し」
ただ、時計として使うには、チクタクを何度も繰り返せなければなりません。
そこで研究チームは、時計を繰り返し動かすための簡単な手順も考えました。
最初の部品を準備し、あるタイミングで、それを鎖の残りから急に切り離すのです。
切り離された最初の部品は、次のチクタクに向けて準備し直せます。
そして出口でチクタクが検出されたら、それを合図に最初の部品を鎖につなぎ直します。
ここで気になるのは、切り離すタイミングです。
もしこのタイミングを正確に決めなければならないなら、そのために別の正確な時計が必要になってしまいます。
ところが計算してみると、切り離す時刻をかなり広い範囲でずらしても、時計の精度は落ちませんでした。
グラフに描くと、精度が変わらない平らな領域が広く続いていたのです。
さらに、切り離してよい最も早い時刻は、ある基準の時間に対する割合で見ると、鎖の部品が多いほど小さくなる傾向がありました。
部品の数を4倍にすると、その割合がおよそ半分になる関係です。
つまり、出口でエネルギーが吸収される流れを乱さずに、大ざっぱな操作で時計をリセットできるのです。
このことは、精度のずっと低い時計で切り離しの合図を出しても、高い精度で時を刻めることを意味します。
正確な時計を動かすのに、同じくらい正確な時計は要らないかもしれないのです。
研究チームは、実際に作る方法の候補も挙げています。
たとえば超伝導の量子ビット(量子コンピューターの基本部品)を並べた装置なら、最初の部品を切り離す技術(動的デカップリング)が使えるといいます。
チクタクは、導波路(光の通り道)から光の粒を1個ずつ検出する方法などでとらえられるとしています。
研究チームによれば、鎖の端の部品を絶対零度の熱の受け皿(熱浴)にもつなげられれば、同じ鎖1本で、量子の情報を端から端へ送る役と、精密な時計の役を兼ねられる可能性があります。
ただし今回示されたのは、あくまで時計の設計図です。
それでも計算の上では、最初の部品を「だいたい」で切り離しても、時計は精度を落とさずにチクタクを刻めるのです。
参考文献
Approaching the limit of quantum clock precision (Physical Review Research)
https://doi.org/10.1103/zm1r-hxrw
元論文
Approaching the limit of quantum clock precision
https://doi.org/10.1103/zm1r-hxrw
ライター
山下 浩介: むずかしい研究を、なるべく分かりやすく伝えたい。専門の言葉はふだんの言葉に置きかえて、身近な例で例える。それで「わかった」「楽しかった」と言ってもらえたら嬉しいです。
好きなのは、通学路や台所や日常の中にある科学。眠っているあいだに記憶が整理される話や、虫の鳴き方に意味がある話のように、読み終わったあとに誰かへ話したくなる研究を探しています。
編集者
ナゾロジー 編集部