Glasfaserkabel eignen sich für Atomuhrenabgleich

Garching – Optische Atomuhren weichen in einem Zeitraum, der dem Alter des Universums entspricht, nur eine Sekunde von der exakten Zeit ab. Diese hohe Präzision erlaubt es Forschern beispielsweise, fundamentale Theorien wie die allgemeine Relativitätstheorie oder die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik zu überprüfen. Allerdings müssen sie dafür das Ticken mehrerer Atomuhren miteinander vergleichen. Da sich ein Transport der komplexen Uhren schwierig gestaltet, sucht man nach alternativen Methoden für einen solchen Abgleich. Eine Möglichkeit bieten zum Beispiel Glasfaserleitungen, wie ein Team um Katharina Predehl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching nun mit einem neuen Streckenrekord demonstriert. 

In ihrem Experiment speisen die Wissenschaftler das Licht eines hochstabilen Lasers in ein 920 Kilometer langes Glasfaserkabel ein, das die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching miteinander verbindet. Um das Signal ohne nennenswerte Leistungseinbuße zu übertragen, installierte die Forschergruppe über den gesamten Weg neuartige Verstärkereinheiten. Eine weitere Herausforderung lag darin, die mechanischen, akustischen und thermischen Störungen – zum Beispiel aufgrund von Temperaturschwankungen, Straßenverkehr oder Bauarbeiten auf der Strecke – zu kompensieren. Diese würden die ursprüngliche Laserfrequenz verfälschen. 

Mit dem neuen Verfahren wich die per Laser übermittelte Frequenz von rund 200 Terahertz nur um weniger als ein zehntausendstel Hertz von der eingespeisten Frequenz ab. Optische Frequenzen können also mit einer Qualität verteilt werden, wie sie bislang nur lokal an Metrologieinstituten zur Verfügung stand, erläutern Predehl und ihre Kollegen. Die Glasfaserinfrastruktur, die unter anderem nationale Forschungsnetze schon heute bereitstellen, sollte es ermöglichen, optische Atomuhren in Zukunft europaweit zu vernetzen. Auf diese Weise ließen sich optische Uhren dann über große Distanzen miteinander vergleichen und ihre Genauigkeit auch in weit entfernten Laboren für Präzisionsmessungen nutzen. 

In einer Atomuhr sind Zeiteinheiten über die Frequenz der Strahlung definiert, die ein Atom beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus aussendet. Die Zeiteinheit Sekunde bezieht sich momentan auf die vom Cäsium-Isotop 133 ausgesendeten Mikrowellen: Der Sekundenzeiger wird nach 9.192.631.770 Schwingungen um eine Einheit weiter gesetzt. Optische Atomuhren verwenden eine etwa 100.000-mal höhere Frequenz und erlauben daher eine weit feinere Zeitunterteilung.