原子時計（げんしどけい、atomic clock）は、原子や分子のスペクトル線の高精度な周波数標準に基づき正確な時間を刻む時計である。高精度のものは10（3000万年に1秒）程度、小型化された精度の低いものでも10（3000年に1秒）程度の誤差である。原子時計に基づく時刻系を原子時と呼ぶ。現在のSI秒および国際原子時（International Atomic Time）は原子時計に基づく。原子や分子はスペクトル吸収線・輝線（決まった周波数の電磁波を吸収・放射する性質もしくはその周波数）を持ち、水晶振動子等よりも高精度な周波数標準となる。周波数は時間の逆数であるから、時間を高精度で測定できる。SI秒の定義もこの性質を利用している。原子時計は、このような周波数標準器と超高精度の水晶振動子によるクォーツ時計とを組み合わせ、その水晶振動子の発振周波数を常に調整・修正する仕組みによって実現される。原子時計を元に作られた正確な時刻情報は標準電波として放送されており、その電波を受信してクォーツ時計の誤差を修正しているのが電波時計である。アンモニアやセシウムの他にルビジウムや水素なども用いられるが、セシウム原子時計の例について述べる。まず炉から放射されたセシウム133の蒸気を、磁場によって超微細準位の異なる2つに分離する。分離されたうち基底状態の原子に水晶振動子を基準として91億9263万1770Hzのマイクロ波を照射し、これによって励起された原子に再び磁場をかけて分離する。励起状態のセシウムの量が多くなるよう周波数を調整し、正確な91億9263万1770Hzのマイクロ波を作り出す。1967年から、国際的な1秒の定義となっている。誤差は1億年に1秒（10）程度とされている。最高精度を実現しているのは1次標準の数台に限られており、多くは少し精度の低い商業的に作られた2次標準を用いている。レーザー光の干渉定在波によって作られた光格子の中に、ストロンチウム原子約100万個をラム・ディッケ束縛により閉じこめる。光格子に閉じ込めるために原子を数μKまでレーザー冷却する。ラム・ディッケ束縛によりドップラーシフトおよび反跳シフトを排除できる。また、光格子を構成するレーザーの波長を適当に選ぶ（「魔法波長（389.9nm）」）と、時計遷移（線幅はmHzオーダー）の基底状態と励起状態の光シフトを打ち消すことができるため、光シフトの影響がきわめて少ない。2001年、東京大学の香取秀俊によって提唱され、2003年に基礎実験に成功し、2005年に開発に成功した。セシウム原子時計を超える原子時計として期待されている。「光コム」（光周波数コム。レーザー光を利用して光の周波数を精密に測定する仕組み）を使い、より高い周波数（マイクロ波ではなく光波）の使用により安定度を上げる。理論的にはセシウム原子時計の1000倍の「300億年に1秒」の精度がある。2009年現在16桁の精度が実現している（429兆2280億422万9873.7Hz）。2006年10月の国際度量衡委員会で、「秒」の二次表現として採択された。2013年、香取はストロンチウム原子分光（中空フォトニック結晶ファイバ中）に成功した。共鳴周波数幅は7.8kHzであった。2015年2月、香取、高本将男らは、ストロンチウム光格子時計2台を比較することにより、10前半の精度を確認したと発表した。ストロンチウム光格子時計をしのぐ精度をもつ可能性のあるものとして、イッテルビウム171光格子時計の開発が進んでいる。産業技術総合研究所計測標準研究部門時間周波数科の洪鋒雷・研究科長、安田正美・主任研究員らの開発による。黒体輻射や核スピンの影響が少なく精度が高いと考えられている。2010年現在の周波数は518兆2958億3659万864Hz（2009年測定、不確かさは28Hz=60万年に1秒）である。その後、装置の改善等を行い、2012年現在の周波数は518兆2958億3659万863.1Hz（2012年測定、不確かさは2.0Hz。相対不確かさ=3.9×10）。2012年10月の国際度量衡委員会で、秒の二次表現として採択された。1949年、アメリカ国立標準局においてアンモニアの吸収線を用いた原子時計が物理学者ハロルド・ライオンズによって発明された。またアメリカで発明され、イギリス国立物理学研究所（NPL）のルイ・エッセン（）らによって開発されたセシウム原子時計は1955年から1958年まで国際原子時（TAI）を刻み実用化第1号となった。その後、1967年の第13回国際度量衡総会において現在用いられている国際単位系（SI）の秒の定義「セシウム133の原子の基底状態の2つの超微細準位の間の遷移に対応する放射の周期の91億9263万1770倍に等しい時間」（計量単位令）が決定された。2011年8月の発表によると情報通信研究機構（NICT）と東京大学が独立に開発した原子時計を超高精度光伝送技術を用いて結び、6500万年に1秒（16桁）の精度を確かめた。米国には70億年に1秒の精度とされる原子時計がある。原子時計が進歩したため、地球の自転による一日の長さ（LOD：Length of Day）を正確に計測することが可能になった。1秒の長さは、1820年頃のLODに基づいて定義されていたために、セシウム原子の遷移の歩度（91億9263万1770周期）による秒の定義とは合わなくなった。そのため何年かに1回閏秒を挿入して時間調整をしている（詳細は、「閏秒」の「1日の長さ LOD」及び「閏秒挿入の理由についての誤解」を参照のこと）。

出典:wikipedia