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Symbolbild "Zeitschriften"

Atomuhrenvergleich über die Datenautobahn

Besonders interessant für:
  • Verbesserung der Zeitskale
  • Anwender optischer Frequenzen z. B. in Geodäsie, Raumfahrt, Radioastronomie

Die überragende Stabilität und Genauigkeit einer optischen Atomuhr kann in Zukunft auch außerhalb des Metrologieinstituts, in dem die Uhr steht, genutzt werden. Voraussetzung ist die Anbindung an eine herkömmliche Telekommunikationsglasfaserstrecke. Demonstriert wurde dies an einer 920 km langen Glasfaserstrecke zwischen Braunschweig und München.

920 Kilometer lange Glasfaserstrecke, über die die Frequenz eines Lasers von der PTB in Braunschweig zum Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching übertragen wurde

Optische Atomuhren ticken heute schon so präzise, dass sich zwei Uhren erst in der 17. Stelle nach dem Komma unterscheiden. So ermöglichen sie hochpräzise Tests fundamentaler Theorien, von der Kosmologie bis hin zur Quantenphysik. Das Problem war bisher, dass Messungen nur lokal in wenigen Instituten weltweit (wie etwa der PTB) möglich waren. Wie die überragende Stabilität und Genauigkeit dieser optischen Uhren für andere Anwender nutzbar gemacht werden kann, wurde in den letzen Jahren gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching, des Instituts für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover und des Exzellenzclusters QUEST untersucht, unterstützt durch die European Space Agency (ESA), das Deutsche Forschungsnetz DFN und Gas-Line, eine Telekommunikationsnetzgesellschaft deutscher Gasversorgungsunternehmen.

Da herkömmliche Verfahren für Zeit und Frequenzvergleiche mithilfe von Satelliten die für optische Uhren erforderliche Genauigkeit und Stabilität nicht erreichen, wurden hochstabile optische Frequenzen über Telekommunikationsglasfasern übertragen. Um die Abschwächung der Signale auf der weiten Strecke zu kompensieren, wurden entlang der Strecke optische Verstärker installiert. Zur Vermeidung von Genauigkeits- und Stabilitätsverlusten war es nötig, Schwankungen der Laserfrequenz aufgrund mechanischer, akustischer und thermischer Störungen (z. B. durch Änderungen der Temperatur, durch Straßenverkehr oder Bauarbeiten entlang der Strecke) zu erfassen. Das geschieht, indem das Laserlicht vom Empfänger auf dem gleichen Weg zum Absender zurückgeschickt wird. Nach einem Vergleich mit dem gesendeten Signal kann dem Absender eine Korrektur aufgeprägt werden, die zu einem ungestörten Signal beim Empfänger führt.

Erstmals konnte gezeigt werden, dass dies auch auf einer über 900 km langen Glasfaserverbindung in Echtzeit nahezu perfekt möglich ist, sodass die dem Anwender zur Verfügung stehende Frequenz von ca. 200 THz um weniger als ein zehntausendstel Hertz von der eingespeisten Frequenz abweicht. Dies entspricht einer relativen Frequenzunsicherheit von weniger als 5 ∙ 10–19.

Optische Frequenzen können nunmehr mit einer Qualität verteilt werden, wie sie sonst nur lokal in Metrologieinstituten zur Verfügung steht. Die Verwendung bestehender Glasfaserinfrastruktur, wie sie z. B. in den nationalen Forschungsnetzen vorgehalten wird, ermöglicht in Zukunft eine Erweiterung zu einem europäischen Netz, in dem alle optischen Uhren in Europa untereinander verbunden sind.

Profitieren wird davon zunächst die Grundlagenforschung, etwa bei der präzisen Bestimmung der Naturkonstanten, der Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie und Vorhersagen der Quantenelektrodynamik, aber auch zukünftige Anwendungen in der Geodäsie, in der Radioastronomie oder der Raumfahrtindustrie.

Ansprechpartner:

Harald Schnatz
Fachbereich 4.3 Quantenoptik und Längeneinheit
Telefon: (0531) 592-4300
E-Mail: harald.schnatz(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Predehl, K.; Grosche, G.; Raupach, S.M.F.; Droste, S.; Terra, O.; Alnis, J.; Legero, Th.; Hänsch, T.W.; Udem, Th.; Holzwarth, R.; Schnatz, H.: A 920 km Optical Fiber Link for Frequency Metrology at the 19th Decimal Place. Science 336 (2012) 441–444