這款終極時鐘由兼任理化學研究所團隊主任等職的東京大學研究所教授香取秀俊研發，是一項有望廣泛應用於社會各個領域的「日本原創」最尖端技術。

將鍶原子封入超微小「光晶格」中

現代人認為，古時候的人們是透過太陽和月亮的運動來辨識季節變化的。隨著文明的進步，16世紀義大利人伽利略·伽利萊發現單擺是按一定週期擺動的。受到這個發現的啟發，荷蘭人克里斯蒂安·惠更斯發明了單擺鐘。之後，使用發條的機械鐘和借助石英振動的石英鐘問世，並得到推廣。據說精確度最高的石英鐘精確度為100年誤差1秒。

20世紀後半葉，以原子振動頻率為標準的原子鐘誕生。過去的1秒是由地球圍繞太陽公轉的時間推導出來的，而到了1967年，原子質量為133的銫原子鐘成為了定義1秒的國際標準。原子躍遷至不同能量狀態時會吸收、釋放特定頻率的無線電波和光子。這種無線電波或光子的頻率像鐘擺一樣被視為時間的基準。這就是原子鐘。精確地說，就是把銫原子基態「超精細躍遷」狀態變化時，對應微波振動 9192631770 次所持續的時間，定義為1秒。目前據說最精確的銫原子鐘6000萬年誤差1秒，相對精確度約為1×10⁻¹⁵。

光晶格鐘更是將原子鐘的精確度提高了一個數量級，其誤差已經超出了人類感知的想像範圍。這是利用光子的新一代時鐘，而光子的頻率比銫原子鐘中使用的微波高出一個數量級。頻率越高，時間就越精確，所以時鐘的精確度將會實現飛躍式的提升。

另一個特點是使用鍶原子。要測量鍶原子吸收和釋放的光子的頻率。具體來說，透過干涉被稱為「魔術波長」的特定波長雷射，創建出一個形狀如雞蛋盒、名為「光晶格」的超小空間。然後將大約100萬個冷卻的鍶原子逐一封入光晶格中。接著以雷射光束照射到這100萬個原子上，並精確測量它們吸收振動的平均頻率來確定1秒的時間長度。

展現光晶格鐘如何捕捉單個原子的模型，2022年8月，位於東京都小金井市的資訊通信研究機構（時事）

2001年提出後受到全球關注

香取教授於2001年首次提議這種光晶格鐘，引起了全世界的關注。特別值得一提的是，它在使用大量原子的同時，成功地抑制了原子之間相互作用引起的誤差。過去關於高精度時鐘的研究工作曾面臨一個重大挑戰，那就是由於原子之間會相互碰撞導致誤差，所以只能使用少量原子。

香取教授率領的研究團隊在測量高精度頻率方面不斷取得成功，開始被國際社會讚譽稱將對「重新定義秒」發揮重要作用。早在2006年，它就被選為新一代時鐘的候選者。然而，最初的光晶格鐘只是實驗室裡的大型設備。為此，研究團隊又開始著手研發「可搬運式光晶格鐘」。

經過不斷努力，研究團隊於2014年11月宣布，他們已成功將該設備的容量從原來的約920公升縮小到250公升左右。朝著「商用化」目標邁出了重大的一步。島津製作所和日本電子株式會社也參與了該研究項目。

近期，香取教授和他的同事公布了一項震驚世界的實驗結果。該團隊2020年4月研發出了可搬運式光晶格鐘，並依據廣義相對論透過測量高度差來證使了其性能，這可謂是小型化的第一步。當時發布的訊息顯示，該團隊縮小並整合了此前固定在實驗室中的光學設備和控制設備，研發了新的可搬運式設備。然後將該設備分別放置在東京晴空塔底層和展望台，測量了兩個位置顯示的時間流逝方式的差異。最後確認，展望台的時間流逝速度每天比地面快 4.26 奈秒（1奈秒是十億分之一秒）。可搬運式光晶格鐘展現出了足以媲美傳統實驗室設備的性能。

光晶格鐘研發者、東京大學研究所教授香取秀俊在與國際度量衡局就重新定義秒的問題達成共識後召開記者會，2026年5月12日，川崎市（時事社）

進化成300億年誤差1秒的終極時鐘

按照愛因斯坦的廣義相對論，時間在海拔較低、重力較大的地方流逝速度慢於海拔較高的地方。光晶格鐘可以測量出極其細微的時間變化，因而可以應用於測量高度差。香取教授等研究人員開展的這項實驗被稱讚為「透過東京晴空塔僅有的450公尺高度差，實現了可以與過去利用人造衛星進行的太空實驗相媲美的精確度來驗證廣義相對論」。

2015年2月，香取教授率領的研究團隊發布消息稱，激活了兩個光晶格時鐘，兩個時鐘之間的偏差為「160億年1秒」。相當於就算從宇宙誕生以來的138億年一直在運轉，到如今誤差也只有1秒左右。當時的精確度已經是超乎想像，而最新的設備更是達到了18位數的精確度，因此被形容為「300億年1秒」的精確度。這簡直是一種讓人難以想像的「終極時鐘」。

2025年3月，曾與東京大學和理化學研究所一同為2024年公布的光晶格鐘小型化研究成果做出貢獻的島津製作所宣布將發售超高精度商用光晶格鐘。這是該技術在全球首次實現商用化。該款時鐘寬114公分，高109.3公分，深65公分。性能為「100億年誤差1秒」，當時的建議售價為5億日圓（含稅），銷售目標為3年10台。

取得這些足以證明「實用化」可能性的業績後，島津製作所和理化學研究所於今年 5 月 12 日簽署了一份諒解備忘錄，將與計劃在2030年重新定義秒的國際度量衡局 (BIPM) 合作研究和實證光晶格鐘。儘管歐美提議和研發的「單離子鐘」也被列為重新定義秒的候選基準，但光晶格鐘具有出色的穩定性，被認為是重新定義秒的有力候選者。

該備忘錄的簽署，作為有望推動光晶格鐘獲選的事件而備受關注。據相關人士透露，在簽字儀式後舉行的記者會上，香取教授表示，「但願能夠透過提供時間比較工具來儘快實現重新定義」。

有望應用於地震和火山噴發研究

在此重新介紹一下香取教授的職業經歷。
他1988年畢業於東京大學工學系物理工學科，歷任德國馬克斯·普朗克量子光學研究所客座研究員、東京大學工學系副教授、科學技術振興機構（JST）戰略性創造研究推進事業CREST研究代表等職，2010年任東京大學研究所工學研究科教授。2013年獲得仁科紀念獎，2015年獲得日本學士院獎，2022年獲得本田獎（本田財團主持），被視為諾貝爾獎的有力候選人。

2022 年 11 月 17 日在東京舉行的本田獎頒獎典禮上，香取教授發表了題為《以好奇心驅動的科學 開創未來》的紀念演講。在演講的開頭，他表示說：「上了年紀之後，我產生了希望利用這種（光晶格）技術留下對人類和社會有用的成果這樣一種想法。」

事實上，香取教授提出的這項劃時代技術的意義不僅記是有可能改變目前秒的定義。其偉大之處還在於可能帶來新技術的溢出效應。

正如東京晴空塔的實驗所證明的那樣，超高精度時鐘可以測量細微的高度差異。換句話說，「只要放置時鐘就可以知道高度」。這項技術被稱作「相對論測地學」，例如光晶格鐘的超高精度可以精確測量僅有幾公分的高度差。

我們知道，火山爆發前，岩漿會上升，可以看到山體輕微擴張等變化。不僅是火山的微小變化，就是在與地震活動相關的地殼運動方面，也可以捕捉到過去很難透過常規測量方式來探查的細微變化。換句話說，把光晶格鐘作為「超高精度位置測量儀」，透過部署多台設備或將它們聯網，就可以運用於完善地殼運動監測系統，以及持續監測火山活動等領域。

除了作為和地震、火山相關的防災技術外，其作為與我們日常生活和社會基礎設施密切相關的技術也同樣受到關注，例如空間觀測和探索、衛星定位系統（GPS）的發展、新一代通信技術和自動駕駛，等等。終極時鐘不再只是時間測量裝置，它正在變成一種觀察地球和宇宙的觀測裝置。

利用東京晴空塔開展的光晶格鐘實驗概要（香取秀俊教授提供）

「這項研究已經進展到可以用來回饋社會的地步」

在本田財團主辦的與東京大學名譽教授村上陽一郎的對話活動中，香取教授說道：「當我最初開始尋找研究課題時，我考慮的是『我想做不涉及競爭的研究，而且是有意思的，我們能樂在其中的研究』。這就是我的出發點。但是，我們不能做無用的研究。我想，如果我們現在做基礎研究，20年後應該已經產生了有用的萌芽。我認為最好的狀況是，20年後，研究已經進展到可以用來回饋社會的地步。」

提高時鐘的精確度可以直接促進社會基礎設施的進步，未來的社會不能缺少精確的時間測量技術。香取教授首創的超高精度光晶格鐘技術就承載著人們這樣的期待。

標題圖片：島津製作所生產的全球首款商業化光晶格鐘「AetherClock OC 020」，3月5日，京都府精華町（時事）