GPSネットワーク は、地球上で最も偉大なインフラの一つといえるかもしれません。実質的には、耳を傾けようとする地球上のすべての人に、無料で24時間体制の時刻情報を届けている宇宙の時計の集合体なのです。
これらの時刻信号には多くの重要な用途がありますが、ほとんどの人はGPSナビゲーションツールの助けを借りて、AからBへ移動するために利用しています。実際には、Bから約10メートル以内の精度でしかありません。人や車の規模で考えると、これはかなり大きな誤差です。左折を逃したことがある人なら誰でもうなずけるでしょう。
自動運転車のような新興技術は、おそらく現地センシングとGPS信号を組み合わせて、事故を起こすことなく自律的に走行することになるでしょう。そのため、GPSの精度向上は、自動運転車の時代を早め、普及させる上で極めて大きな利点となります。
GPS受信機は、GPS衛星から届く異なる時刻信号を受信して比較し、その情報をもとに、地球上のどこに自分がいるのかを正確に算出します。
GPSナビゲーションの精度を損なう要因は様々です。現時点で一般利用者にとって主な原因となっているのは、地球の電離層です。電離層は、衛星からお使いのGPS受信機まで伝わる途中の時刻信号を妨げます。
しかし、誤差の要因として二番目に大きいのは、GPS衛星に搭載された時計の安定性です。
タイミングがすべて
すべてのGPS衛星には、セシウム（Cs）またはルビジウム（Rb）原子から時刻を導く原子時計（通常4基）が搭載されています。
これらの時計で実際に測定されているのは、原子の2つの特定の状態間のエネルギー差です。原子が高エネルギー状態から低エネルギー状態へ移るとき、そのエネルギー差は光の形で放出されます。この光の周波数、すなわち刻む速さが、私たちが数える対象であり、時間を定義する根拠です。重要な点は、根本的に、このエネルギー差は常に同じであるということです。
腕時計であれ、柱時計であれ、原子時計であれ、その他いかなる時計であれ、すべての時計には何らかの固有の誤差があり、秒単位で遅れたり、ずれていったりします。放置すれば、GPS衛星に搭載された原子時計は、1日あたり10ナノ秒ずつずれていく（ドリフトする）でしょう。
一見わずかに聞こえるかもしれませんが、光速を掛けると、GPSの位置誤差は3メートルに達します。
幸いにも、GPSネットワークは綿密に監視されており、時計の時刻を揃えるための補正が適用されているため、位置誤差への寄与は約1〜2メートルにとどまっています。
GPSナビゲーションの精度向上に向けた取り組みが数多く進められており、その中には、電離層の影響を実質的に排除しうるさまざまな放送方式も含まれます。
しかし、最終的には、時計の性能がGPSの基盤となります。時計技術は絶えず進歩しており、それに伴い、発見や応用の新たな機会も数多く生まれています。
精度の向上
ここ、University of Western Australiaの 研究グループ は、イッテルビウム（Yb）原子をベースにした光格子時計を開発しています。
イッテルビウム原子に加え、超安定レーザーと周波数コムも備えており、非常に高精度な光原子時計を作るために必要な構成要素がすべてそろっています。
この種の時計は、現在作製可能な中で最高水準のものの一つであり、他の場所の類似設計では、GPS衛星に搭載されているものの10万倍の精度を達成しています。
10-18秒の精度を持つとされています。138億年前に宇宙が始まった時点で2つのこのような時計が同時に動作し始めたとすれば、現在に至るまで、その差は1秒以内で一致しているはずです。
完成すれば、この格子時計は南半球で唯一の同種の時計となります。この時計は、UWAが有する他の最先端の時刻・周波数技術とともに、宇宙時計比較実験に参加するための地上局を構成することになります。
実のところ、今後予定されている欧州宇宙機関の実験で重要な役割を果たすために、オーストラリアにこの優れた時計が必要なのです。
宇宙でのミッション
The Atomic Clock Ensemble in Space（ACES）ミッションは、 冷却原子時計 を国際宇宙ステーション（ISS）に搭載します。この時計は、ごくありふれたGPS原子時計よりも約1,000倍安定しています。
ACESミッションは2017年の打ち上げに向けて順調に進んでいます。この装置を無事に宇宙へ打ち上げ、ISS上で問題なく運用することだけでも、十分に大きな成果となるでしょう。これは、将来の宇宙時計ネットワークの構築に向けた重要な足がかりです。
数年間にわたり、ACES時計が生成する時刻信号は、UWAで開発中のイッテルビウム時計を含め、世界各地のさまざまな種類の時計と比較されます。
これにより、重力赤方偏移の検証や、自然界の基本定数のわずかな変化の探索など、基礎物理学に関する重要な試験を行うことが可能になります。
宇宙ミッション以外にも、極めて安定で高精度な光格子時計を使って行えることは、まだ数多くあります。例えば、これらの時計の刻む速さは現地の重力場の強さに強く依存するため、高さが30cm離れた2台の時計ですら、すでに明らかに異なる速さで動作します。
最終的には、このような時計のネットワークを用いて地球の重力場を精密に描き出すことにつながる可能性があり、それは鉱物資源探査に役立つかもしれません。
科学の進歩は時に遅く感じられることもありますが、高度な時計が高性能化されたGPS衛星に組み込まれ、（おそらく自律走行の）お使いの車をどこへでも正確に導くようになるのは時間の問題です。
本記事は、 The Conversationとの協力により掲載されたものです。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
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執筆者：Stephen Parker氏は、 University of Western Australiaの研究員（Research Associate）です。
画像：2012年2月28日、アムステルダムで撮影されたフォトイラストに写るTomTom製ナビゲーション機器。REUTERS/Robin van Lonkhuysen/United Photos.
