中国科学院の研究者たちが、軌道上で初めて稼働する冷却原子ジャイロスコープ、中国宇宙ステーション原子干渉計（CSSAI）を配備しました。このシステムはレーザー冷却されたルビジウム87原子と原子干渉計を使用して、回転力と加速度を高精度で測定します。単一実験の結果では、回転分解能50 μrad/s、加速度分解能1.0 μm/s²を示しました。データを統合すると、長期的な回転分解能は17 μrad/sまで向上します。これらの値はステーションの従来型ジャイロスコープと相互検証され、近い一致を示しました。
46×33×26 cmのサイズで75 Wで動作するCSSAIペイロードは、フリンジの位相ずれを打ち消すために最適化された「マジックアングル」レーザー配置によるシアリング干渉計技術を適用しています。研究チームは、イメージング、磁場、原子雲パラメータ、レーザー安定性からのエラー要因を分析しました。シアリング角が系統的不確かさの主要な要因として特定されました。この原子干渉計は、Gravity Probe BやLARESなどの過去のミッションで使用された機械式や光学式システムよりも高感度な、微小重力ベースの量子慣性センシングを可能にします。
この開発は、航法や一般相対性理論の検証に使用可能な量子ベースの慣性センサーへの移行を示すものです。CSSAIは、中国の宇宙システムへの量子技術統合に向けた広範な戦略の一部です。今後の研究では、宇宙機、衛星、長期ミッションへの展開に向けて、さらなる小型化、エラー低減、堅牢性の向上を目指します。
背景
冷却原子ジャイロスコープは、原子の量子力学的性質を利用して回転を検出する装置です。通常、原子は熱運動により激しく動きますが、レーザーを用いて冷却することで原子の動きを極限まで抑えます。これにより、原子の波動性を利用した高精度な測定が可能になります。
原子干渉計は、冷却された原子の波の干渉現象を用いて、加速度や回転などの物理量を測定する技術です。光の干渉と同じ原理ですが、物質波である原子を用いるため、極めて高い感度を実現できます。特に微小重力環境では、外部ノイズの影響を受けにくく、長期にわたる安定した観測に適しています。
シアリング干渉計技術は、レーザー光の位相ずれを補正するための手法です。装置内部で発生する誤差要因の一つである「シアリング角」による系統的不確かさを低減し、測定精度を向上させる役割を果たします。これにより、従来型の機械式や光学式システムよりも高感度なセンシングが可能となっています。
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2025年5月16日
