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

時計のチクタクが必ず「ゆらぐ」わけ

1839年に作られた、セント・アンズ・ライムハウス教会の塔時計の機械です。 歯車で動く時計でも原子時計でも、時計の仕事は時間の基準を示すことです。Credit: Thwaites&Moore576 / Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）

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。

カーボンナノチューブでできた二重量子ドットの素子の中心部分で、シリコンの上に作り、プリント基板に取り付けてあります。 二重量子ドットは、時計のゆらぎの下限を示した実験にも使われた種類の部品です。Credit: UCL Mathematical & Physical Sciences from London, UK / Wikimedia Commons（CC BY 2.0）

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。