【プレスリリース】原子時計の多様な時刻ゆらぎを評価する数学的基礎を構築 次世代無線通信Beyond 5G/6Gに不可欠な高精度時刻同期に貢献
東京工業大学 工学院 システム制御系の石崎孝幸准教授、市村太一大学院生、群馬大学大学院理工学府 電子情報部門の川口貴弘助教、国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）電磁波研究所の矢野雄一郎主任研究員、花土ゆう子協力研究員の研究グループは、原子時計（用語1）の多様な時刻ゆらぎ（用語2）を評価するために、高階アラン分散（用語3）と呼ばれる指標を新たに定義して、その合理性を数学的に解析するとともに、高階アラン分散を原子時計の時刻ゆらぎを特徴づける分散パラメータの関数として記述する普遍的な公式を発見しました。
次世代無線通信規格Beyond 5G/6G（用語4）では、モバイル端末や無線基地局間の時刻同期（用語5）精度を向上することが通信の高速?大容量化、高信頼?低遅延化、多接続化に直結します。特に、モバイル端末の高精度時刻同期を実現するためのキーデバイスとして、小型原子時計の研究開発が活発に行われています。原子時計は原子固有の遷移周波数を基準とすることにより、現在主流の水晶時計と比較して桁違いに正確な時刻を刻むことが可能です。しかしながら、原子時計にもわずかな時刻のゆらぎが生じます。時刻ゆらぎの統計的性質には、原子時計の内部構造や原子遷移の検出方法などの複数の要素が影響するため、原子時計の多様な時刻ゆらぎを統一的に評価する指標が求められていました。
本研究では、形状や仕組みが異なるさまざまな種類の原子時計にも汎用的に適用可能な時刻ゆらぎの評価指標をシステム制御の数理に基づいて解析しました。本研究が明らかにした高階アラン分散の数学的な性質と関数表現は、原子時計の性能評価にとどまらず、精密計測に関わる計量学分野全般の基礎となることも期待されます。
本成果は、2023年12月20日（現地時間）に、計量学分野の権威ある国際学術誌である「Metrologia」に掲載されました。
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【用語説明】
- 原子時計：原子が持つ固有の遷移周波数を基準として時刻を刻む装置。各国の標準時刻生成の他、情報通信分野や宇宙分野などで広く用いられている。
- 時刻ゆらぎ：原子時計が指す時刻の確率的変動。外乱や物理的な測定限界によって生じる。
- アラン分散：発振器による振動の周波数が確率的にゆらぐ大きさを定量化する指標。原子時計や水晶時計では、発振器の振動周期によって時刻を刻むタイミングを決めることから、周波数のゆらぎによって時計が指す時刻にゆらぎが生じる。
- Beyond 5G/6G：2030年代の導入を見据えた次世代の無線通信規格。
- 時刻同期技術：異なる2つ以上の端末や基地局の時刻を同期するための技術。端末の時刻が一致することを時刻同期と呼ぶ。