Übertragung von Lichtsignalen Genauer als Genau

Die extreme Genauigkeit von Atomuhren reicht Physikern nicht. Längst tüfteln sie an einer neuen Generation. Wer aber hat die präziseste Uhr der Welt? Bisher musste man zum Uhrenvergleich an einem Ort sein. Dank eines physikalischen Kniffs sind Entfernungen bis zu 480 Kilometer kein Problem.

ddp

Seit 1967 entscheiden Cäsiumatome über den Lauf der Uhren der Welt: Die Zeiteinheit Sekunde wird durch die Frequenz der Mikrowellenstrahlung definiert, die bei einem bestimmten Übergang in den Atomen entsteht. 9.192.631.770 Periodendauern entsprechen einer Sekunde. Mit anderen Worten: Eine Sekunde ist um, wenn ein angeregtes Cäsiumatom exakt 9.192.631.770 Mal zwischen zwei Quantenzuständen gewechselt hat. Die erste Atomuhr Deutschlands wurde 1969 an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in Betrieb genommen.

Sogenannte optische Atomuhren sollen die Genauigkeit der Zeitmessung schon bald um mehrere Zehnerpotenzen erhöhen. Sie arbeiten mit Frequenzen an der Grenze zum sichtbaren Licht. Die vermessene Strahlung schwingt so rund 75.000-mal öfter als bei Cäsiumuhren. 2001 stellte ein Team vom National Institute of Standards and Technology der USA mit einer solchen Uhr einen neuen Präzisionsrekord auf. 2008 gelang die Zeitmessung auf 17 Dezimalstellen genau.

Doch wie vergleicht man die Genauigkeit zweier optischer Uhren miteinander? Bisher mussten sie dafür möglichst nahe beieinander stehen, idealerweise im selben Labor. Dank einer neuen Methode zur hochpräzisen Übertragung von Lichtfrequenzen ist dies nun nicht mehr nötig. PTB-Wissenschaftler konnten damit ein Signal durch 480 Kilometer Glasfaserkabel schicken. Sie erreichten dabei eine relative Messunsicherheit von nur einer Sekunde in 16 Milliarden Jahren.

Licht über Hunderte Kilometer Glasfaser zu übertragen, ist an sich kein Problem. Mit zwischengeschalteten Verstärkerstationen wird das durch die Dämpfung immer schwächere Signal immer wieder aufgefrischt. Die Methode eignet sich jedoch nicht dafür, die Frequenz des ursprünglichen Lichtsignals möglichst exakt beizubehalten. Genau das ist jedoch nötig, um minimale Abweichungen im Gang von Atomuhren festzustellen.

Um das Problem zu lösen, nutzten die PTB-Physiker um Harald Schnatz und Gesine Grosche die sogenannte Brillouin-Streuung. Sie schickten dem Signallicht sogenanntes Pumplicht entgegen, das in der Glasfaser akustische Wellen anregt. Dadurch kommt es zur Streuung des Pumplichts, wobei die wenigen schon vorhandenen Signalphotonen die Emission weiterer Signalphotonen stimulieren. So entstand eine Photonenlawine, die die Frequenzinformation mit extrem geringen Verlusten bis ans andere Ende der Glasfaser brachte.

480 Kilometer lang war die Distanz - das genügt, um selbst eine Verbindung zum französischen Partnerinstitut der PTB in Paris aufbauen zu können, berichten die Forscher. In Zukunft könnte man so gemeinsam an den besten Uhren der Welt arbeiten, schreiben die Wissenschaftler in der Studie, die im Fachblatt "Optics Letters" erscheinen soll und über arxiv.org abrufbar ist.

hda



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