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Freitag, 19.09.2014
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Atomuhrenvergleich über die Datenautobahn

Glasfaserkabel leiten optische Frequenzsignale genauer weiter als Satelliten

Glasfaserkabel könnten in Zukunft alle optischen Atomuhren Europas verbinden und so einen Abgleich dieser präzisen Zeitmesser erleichtern. Das zeigt ein Experiment deutscher Forscher, bei dem sie die optische Frequenzen dieser Uhren mit hoher Stabilität über eine 920 Kilometer lange Glasfaserverbindung übertrugen. Diese Möglichkeit hilft zukünftig beispielsweise bei der präzisen Bestimmung der Naturkonstanten, der Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein oder von Vorhersagen der Quantenelektrodynamik, wie die Forscher in "Science" berichten.

Atomuhrenvergleich über ein unterirdisches Glasfaserkabel

Optische Atomuhren messen die Zeit mit überragender Genauigkeit. Doch erst die Möglichkeit, sie mit anderen Uhren zu vergleichen, macht sie einsatzbereit für hochpräzise Tests fundamentaler Theorien, von der Kosmologie bis hin zur Quantenphysik. Ein Uhrenvergleich gestaltet sich bislang jedoch sehr schwierig, denn die weltweit wenigen Exemplare sind sehr komplex aufgebaut und lassen sich nur mit größtem Aufwand transportieren.

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 auf die vom Cäsium- Isotop 133 ausgesendeten Mikrowellen: Der Sekundenzeiger wird jeweils 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. Atomuhren der neusten Generation gehen bereits so genau, dass sie erst in der 18. Dezimalstelle voneinander abweichen – dies entspricht einer Sekunde in einem Zeitraum, der dem Alter des Universums entspricht.

Doch wie gut lassen sich optische Frequenzen über weite Entfernungen übertragen? Herkömmliche Verfahren mithilfe von Satelliten erreichen hier eine Genauigkeit von 15 Dezimalstellen. Das ist gut genug für Signale im Mikrowellenbereich, aber zu grob, um das Potenzial optischer Atomuhren
auszuschöpfen. Ein Team von Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching hat daher in den letzten Jahren untersucht, wie sich optische Frequenzen in Glasfaserkabeln übertragen lassen.

Weniger als ein Atomdurchmesser auf 920 Kilometer Kabel


In ihrem Projekt speisen die Wissenschaftler das Infrarotlicht eines hochstabilen Lasers mit einer Wellenlänge von etwa 1,5 Mikrometern in ein 920 Kilometer langes Glasfaserkabel ein, das zwischen der PTB in Braunschweig und dem MPQ in Garching unterirdisch verlegt ist. Es handelt sich dabei um ein auch in der Telekommunikation übliches Kabel, mit einer relativ geringen Dämpfung für Strahlung im nahen Infrarot. Um ein Signal jedoch über eine so weite Strecke ohne nennenswerte Leistungseinbuße zu übertragen, muss es immer wieder aufgefrischt werden. Dazu wurden neuartige optische Verstärkereinheiten entwickelt und über die gesamte Glasfaserstrecke verteilt aufgebaut.

Ein weiteres Problem sind Verfälschungen der ursprünglichen Laserfrequenz, hervorgerufen durch mechanische, akustische und thermische Störungen, die beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, Straßenverkehr oder Bauarbeiten entstehen. Mit neuen Verfahren konntne die Forscher diese Störungen so gut erfassen, „ausgeregeln“ und kompensieren, dass sich die ganze 920 Kilometer lange Glasfaserverbindung zwischen Braunschweig und Garching optisch um
weniger als einen Atomdurchmesser in der Sekunde ändert. Die dem Anwender im Partnerlabor zur Verfügung stehende Frequenz von 194.353 Gigahertz weicht deshalb nur um weniger als ein zehntausendstel Hertz von der eingespeisten Frequenz ab.

Höhere Genauigkeit als Satellitensignal


Die Probe aufs Exempel machten dann Wissenschaftler des Garchinger Max-Planck-Instituts: Sie nutzten das Signal der primären Cäsiumuhr der PTB für die Spektroskopie von Wasserstoff am MPQ. Dieses wurde über einen Frequenzkamm mit der optischen Phase des eingespeisten Lasers verglichen. Es zeigte sich, dass das über Glasfaser übertragenen Signal eine weit höhere Genauigkeit erreichte als es mit Satelliten-gestützter Übertragung möglich gewesen wäre.

Optische Frequenzen können demnach mit einer Qualität verteilt werden, wie sie bislang nur lokal an Metrologieinstituten zur Verfügung stand. Die Verwendung der Glasfaserinfrastruktur, die beispielsweise die nationalen Forschungsnetze schon heute bereitstellen, werde es ermöglichen, optische Atomuhren in Zukunft europaweit zu vernetzen, hoffen die Forscher. So wie es heute zum Stand der Technik gehört, dass herkömmliche Uhren und Wecker per Funk die „richtige Zeit“ von der PTB über den Langwellensender DCF77 empfangen, könnte die Verbreitung einer optischen Referenz per Glasfaser zur Bestimmung der Wellenlänge und Frequenz optischer Strahlung eine breite Anwendung in Forschung und Industrie finden.
(Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 30.04.2012 - NPO)

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