宇宙で最も寒い場所

HMSパシューア号に乗船するAquarkチーム。写真提供：Aquark

英国企業が、自社の原子時計に用いる量子技術を用いてマイナス273.149996℃という温度に到達し、事実上宇宙で最も寒い場所を作り出しました。これは、衛星システムの支援なしに海上で正確な航行を行うという長年の課題に対するハイテクな解決策です。

Aquark Technologiesの共同創業者兼最高執行責任者（COO）であるアレクサンダー・ジャンツェンは次のように説明しています。「18世紀初頭、航海中に緯度を知るには、地平線上の既知の遠方の星の位置を観察することが長年の常識でした。しかし、経度は危険な謎でした。経度の問題は、地球が自転しており、海上にいるときには比較できる固定された基準点がないという事実に起因しています。」

この問題の解決策は、1735 年にジョン・ハリソンが最初の実用的な海洋クロノメーターを開発したことでした。

「航海の精度を向上する解決策は、正確なタイミングでした。そして今も変わりません」とジャンツェンは言います。「ハリソンは経度の問題を解決し、クロノメーター（当時最も信頼性の高い計時装置）を使っていかに正確な測位が可能かを示しました。彼は、船の出航地点など、既知の地点の時刻と船の位置する時刻を比較しました。正午の時刻差を知ることで、船は正確な経度位置を把握することができました。」

1980 年代までに、全地球航法衛星システム (GPS を含む) の衛星航法システムにより、クロノメータは実用的な航法ではほぼ時代遅れになりました。これは、正確な航法に必要な時間信号が、主に GNSS 衛星の原子時計から得られるようになったためです。

GNSS が中断された場合、原子時計は干渉されない高精度で信頼性が高く継続的な刻み目を提供するため、GNSS アクセスが回復するまで安定したタイミング信号を提供し、信頼性の高いホールドオーバーを実現します。

「海上では、スプーフィングの検出精度はタイミング基準の精度に左右されます。ブリッジシステムには、基準となる正確な「刻み」のあるものが必要です。すべてが正常であれば、船舶のブリッジ位置・航法・タイミング（PNT）システムは原子時計と同じ「刻み」の精度を保ちます。しかし、GNSS受信機がスプーフィングされると、基準となる「刻み」に対してタイミングが加速し、スプーフィングが検出されない場合、測位データの信頼性が低下し、危険な航行エラーにつながる可能性があります」とジャンツェンは述べています。

「PNTの耐障害性は、システムが原子時計とGNSSの刻みのずれを検出することで実現できます。システムはスプーフィング中に原子時計の時刻信号に切り替え、計時ずれがなくなるとGNSSに戻ります。」

「今日最も高精度なタイミングシステムは、量子力学で定義された原子の自然で安定した周波数特性を測定し、それを用いて、予想される点（通常は10MHzの発振器）からのドリフトを補正します」とジャンツェンは述べています。「最高の精度を実現するには、ノイズを除去し、ランダムな変動を平均化するために、できるだけ長い間、原子に乱されずにアクセスする必要があります。Aquarkでは、原子を絶対零度近くまでレーザー冷却することでこれを実現しています。」

Aquarkが実現する極限温度では、原子の自然な量子「刻み」をより長期間測定できます。これは、原子の自然な運動が290 m/sから34 mm/sへとほぼ10,000分の1に減速されるためです。クロックの周波数は原子周波数と継続的に比較され、必要に応じて自動的に補正されるため、GNSSによって通常提供されるタイミング信号からの補正を必要とせずに、長期的なドリフトを低減します。

AQlockは英国で製造された最初の市販原子時計です。クレジット：Aquark

2025年6月、Aquark社は英国海軍と提携し、AQlockをHMS Pursuerに搭載して3日間の海上試験を実施しました。この試験は、外洋条件下でのAQlockの安定性を検証する初の試みでした。試験中、冷却原子時計は継続的に動作し、船舶の継続的な縦揺れと横揺れにも関わらず、GNSSからの補正なしに正確な時刻を提供しました。

Aquarkは、国立海洋学センターのAutosub Long Range自律型水中探査機に搭載されたAQuest冷却原子トラップの初の水中試験を実施しました。クレジット：Aquark

Aquarkはまた、AQlockの主要コンポーネントであるAQuest冷却原子トラップの初の水中試験を、国立海洋学センターのAutosub Long Range自律型水中探査機に搭載し、動的条件下で実施しました。収集されたデータは、異なる温度と圧力におけるシステムの挙動と堅牢性に関する性能指標を提供しました。

「この実験が特筆すべき点は、レーザーによる原子冷却はこれまで、システムを外部からの擾乱から慎重に隔離した場合にのみ可能だったことです。これは陸上ではそれ自体が大きな技術的課題です。ですから、私たちのコア技術であるスーパーモラセストラップが水中で機能し、極低温の原子雲を形成するのを確認できたことは、大きな成果でした。」

AQlockが使用するスーパーモラセストラップは、2019年にサウサンプトン大学で発見され、冷却原子を生成するための実証済みの手法を、レーザー光の適切な配置と超高真空（宇宙空間と同等の圧力）のみを必要とするはるかにシンプルな構成に簡素化します。このトラップのユニークな点は、補助磁場を必要としないことです。

ジャンツェン氏によると、この技術はシステムの複雑さを約50%軽減するため、工学的な観点からその重要性を過大評価することはできない。これは原子の利用方法を根本的に変え、40年近くこの分野全体をリードしてきた方法に代わる道を切り開くものだ。

「スーパーモラセストラップにより、量子センシングシステムのサイズ、重量、コスト、消費電力を削減できます。」

これがこれまでの原子時計の最大の課題でした。精度が高まれば高まるほど、装置が大型化します。磁気光トラップなどの高性能かつ従来型の冷却原子システムは、依然として大型で高価であり、実験室環境以外では実用的ではありません。

Aquarkは現在、業務、インフラ、通信、金融、輸送、その他多くの分野におけるGNSSへの世界的な依存度を低減するという目標達成に近づいています。「コールドマター技術は私たちの事業の中核であり、タイミングはその応用分野の一つに過ぎません。将来の需要とイノベーションにより、Aquarkはあらゆる潜在的用途に対応できるコールドマターデバイスを開発する上で有利な立場に立つでしょう。これらの用途には、高度なナビゲーション、水中探査、環境モニタリングのための重力センサーや、無線周波数および慣性力センシングにおける新機能などが挙げられます。」

「今日、レジリエンスに対する明確な需要がありますが、この技術の最大の利点は、まだ実現されていないアプリケーションにあると私たちは考えています。」

「ナビゲーションの精度に対する解決策は、正確なタイミングでした。そして今もそうです。」クレジット：Aquark