原子時計は「時間」の重ね合わせを明らかにできるのか?~ 超高精度の原子時計が時間の量子的な性質を観測できる可能性をもつ新理論~

2026-05-21 九州大学

九州大学高等研究院のフー・ジョシュア准教授らの国際共同研究チームは、超高精度原子時計を用いて「時間の量子重ね合わせ」を観測できる可能性を示す新理論を発表した。研究では、量子力学に従う原子時計が複数経路の重ね合わせ状態を取る際、それぞれ異なる固有時を経験することで、「時間そのもの」が量子的重ね合わせ状態になる可能性を理論的に示した。さらに、トラップドイオン型原子時計の運動制御技術を活用することで、古典的相対性理論を超える量子相対論的効果への感度を従来比100〜1000倍向上できると予測した。原子時計は現在の「秒」の定義やGPS技術を支える超精密計測装置であり、本研究はそれを量子重力・時間の本質探究の実験基盤として利用する新たな方向性を示す成果である。論文は「Physical Review Letters」に掲載された。

原子時計は「時間」の重ね合わせを明らかにできるのか?~ 超高精度の原子時計が時間の量子的な性質を観測できる可能性をもつ新理論~
本研究で考察するトラップドイオン原子時計における、古典的、半古典的、および量子的な固有時ダイナミクスの模式図。ここでは、時計のダイナミクスと空間的な相対論効果が干渉する様子を示している。

 

<関連情報>

光イオン時計における固有時間の量子署名 Quantum Signatures of Proper Time in Optical Ion Clocks

Gabriel Sorci, Joshua Foo, Dietrich Leibfried, Christian Sanner, and Igor Pikovski
Physical Review Letters  Published: 20 April, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/qhj9-pc2b

Abstract

Optical clocks based on atoms and ions probe relativistic effects with unprecedented sensitivity. They resolve time dilation due to atom motion or different positions in the gravitational potential through frequency shifts. However, all measurements of time dilation so far can be explained effectively as the result of dynamics with respect to a classical proper time parameter. Here we show that atomic clocks can probe effects where a classical description of the proper time dynamics is insufficient as superpositions of proper time emerge. We apply a Hamiltonian formalism to derive time dilation effects in harmonically trapped clock atoms and show how second-order Doppler shifts due to the vacuum energy, squeezing, and quantum corrections to the dynamics arise. We also demonstrate that time-dilation-induced entanglement between motion and clock evolution can become observable in state-of-the-art clocks when the motion of the atoms is strongly squeezed, realizing proper time interferometry. Our results show that experiments with trapped ion clocks are within reach of probing relativistic evolution of clocks for which a quantum description of proper time becomes necessary.

1701物理及び化学
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