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Optische Uhr für Anwender

Einzelionenuhr demonstriert robusten Betrieb

PTB-News 2.2022
29.04.2022
Besonders interessant für

astronomische Observatorien

Telekommunikations-Netzbetreiber

Zeitlabore

Demonstrator einer optischen Uhr für Anwender. Der linke Schrank beinhaltet Steuerhardware und Elektronik. Im rechten sind alle Laser und optischen Aufbauten, ein Wellenlängenmessgerät und die Ionenfalle untergebracht.

In optischen Uhren werden Übergänge gespeicherter Atome oder Ionen mit Laserstrahlung getrieben. Dabei wird die Frequenz der Laser genau auf die Resonanzfrequenz abgestimmt und kann anschließend als Takt der Uhr gezählt werden. Diese Frequenz ist etwa 100 000-fach höher als die Mikrowellen-Frequenz, die zur Definition der SI-Basiseinheit Sekunde genutzt wird. In vielen Speziallaboren weltweit werden optische Atomuhren untersucht, um Verbesserungen durch die deutlich höhere Frequenz optischer Laserstrahlung aufzeigen. Doch bisher war es nicht möglich, solche Systeme über längere Zeit kontinuierlich zu betreiben oder für Anwender nutzbar zu machen, die nicht über vertiefte Kenntnisse über den Aufbau der Uhr verfügen. Mögliche Interessenten sind astronomische Observatorien oder auch Telekommunikations-Netzwerkbetreiber mit hohen Anforderungen an eine stabile Systemzeit.

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Pilotprojekts für Quantentechnologien haben sechs Unternehmen, zwei Universitäten und zwei Forschungsinstitute, darunter die PTB, ihre Expertise zusammengebracht. Innerhalb von drei Jahren haben sie einen Demonstrator einer optischen Uhr realisiert, der in zwei 19“-Serverschränken Platz findet. Als Taktgeber dient ein Referenzübergang eines einzelnen, in einer Hochfrequenzfalle gespeicherten Ytterbium-Ions. Für den Aufbau wurden alle Subkomponenten so optimiert, dass sie große Ausfallsicherheit aufweisen und damit robusten Betrieb ermöglichen. Eine Vielzahl von Einstellungs- und Justagevorgängen, die bisher durch wissenschaftliches Personal im Labor erledigt wurden, laufen hier automatisiert ab. Dies verringert nicht nur die Anforderungen an die Nutzer, sondern erlaubt auch eine deutlich schnellere Ausführung, sodass Intervalle verkürzt werden, in denen die optische Uhr nicht mit höchster Genauigkeit arbeitet.

In einer zweiwöchigen Messkampagne unterstrich die optische Uhr ihr Potenzial für robusten Dauerbetrieb. Ihre atomare Referenz wurde während 99,8 % der gesamten Betriebszeit genutzt. Während der übrigen Zeit wurden automatische Routinen ausgeführt, die einen Betrieb mit höchster Genauigkeit gewährleisten. Es gab keine unerwünschten Ausfälle oder Störungen. Der abgeschätzte Zeitfehler nach zwei Wochen ist kleiner als 15 Pikosekunden. Damit übertrifft Opticlock bisher kommerziell verfügbare Atomuhren um einen Faktor 10. Das System soll zukünftig für Messungen bei Anwendern bereitstehen und an der PTB Beiträge zur Steuerung der internationalen Atomzeitskala liefern.

 

Ansprechpartner

Nils HuntemannFachbereich 4.4, Zeit und FrequenzTelefon: (0531) 592-4430Opens local program for sending emailnils.huntemann@ptb.de

 

Wissenschaftliche Veröffentlichung

J. Stuhler, M. Abdel Hafiz, B. Arar, A. Bawamia, K. Bergner, M. Biethahn, S. Brakhane, A. Didier, J. Fortágh, M. Halder et al.: Opticlock: Transportable and easy-to-operate optical single-ion clock. Measurement: Sensors 18, 100264 (2021)