Interferometer aus Glasfasern vergleicht Uhren in Paris und Braunschweig
Parallel hierzu hat die Uhrenentwicklung spektakuläre Fortschritte gemacht. Optische Uhren, die Laserlicht auf atomare Übergänge stabilisieren, liefern die Frequenz mit einer Messunsicherheit von wenigen 10–18, also etwa einen Faktor 100 genauer als die derzeitigen Cs-Fontänen. Die hohe Genauigkeit ist bisher nur lokal nutzbar, weil die Übertragungstechnik per Satellit eine Frequenzunsicherheit > 10–16 verursacht.
Die interessantesten Experimente mit optischen Uhren basieren aber auf Vergleichen zwischen ihnen, z. B. um die zeitliche Änderung von Naturkonstanten zu detektieren. Ein Frequenzvergleich zwischen zwei Uhren ergibt zudem – über die Gravitationsrotverschiebung, die das Licht zwischen den beiden Orten erfährt – die Höhendifferenz zwischen den Uhren und damit Stützpunkte für die Referenzfläche der Geodäten, das sogenannte Geoid. Im Sonderforschungsbereich 1128 („geo-Q“) wird der Forschungsansatz von Physikern und Geodäten gemeinsam verfolgt.
Zwischen der PTB und dem Partnerinstitut LNESYRTE in Paris wurde nun eine glasfaserbasierte Verbindung realisiert, die schnelle und präzise Uhrenvergleiche mit einer Messunsicherheit < 10–18 erlaubt. Frequenzfluktuationen in der Glasfaser werden um fünf Größenordnungen aktiv unterdrückt und Leistungsverluste von 200 dB (1020) mit speziellen Verstärkern ausgeglichen. PTB und SYRTE haben ihre jeweils stabilsten optischen Uhren, die auf ultrakalten neutralen Strontium-Atomen basieren, über die neue Verbindung verglichen: Bereits nach 1000 Sekunden lag die Instabilität zwischen den Uhren nahe 2 · 10–17.
Die Höhendifferenz ihrer Standorte (22,7 Meter) wurde über die gemessene Gravitationsrotverschiebung innerhalb der kombinierten Messunsicherheit der beiden Uhren von 5 · 10–17 bestätigt. Die hervorragende Konsistenz der Messungen ist auch ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer Neudefinition der Sekunde.