Atomuhren zum Mitnehmen

Entscheidend ist die Systemintegration

Die Experten bei Toptica setzen vor allem auf Systemintegration: So kombiniert die neu entwickelte optische Atomuhr das Lasersystem, eine sogenannte Referenzkavität und einen optischen Frequenzkamm in einem einzigen Gehäuse. Wilhelm Kaenders, Technikvorstand des Unternehmens, betont die Besonderheit dieser Technik: „Wir sind weltweit die Einzigen, die alle drei Schlüsseltechnologien einer optischen Uhr als Industriepartner entwickeln und liefern können.“

Am Institut für Physik der Berliner Humboldt-Universität arbeitet Vladimir Schkolnik, Leiter der Entwicklung von kompakten optischen Uhren und Atom-Sensoren, den Fortschritt auf wissenschaftlicher Seite voran. Er setzt auf photonische Chips für die Zeitmessung – mit fest integrierten Strukturen statt klassischer Spiegel, Filter und Linsen. Das gemeinsame Ziel aller Entwickler optischer Atomuhren ist es, eine Uhr mit Laborpräzision zu schaffen – aber ohne die Notwendigkeit einer festen Verankerung im Laborkeller.

Verwandlung zum Höhenmesser

Die neue Mobilität optischer Atomuhren ist kein Selbstzweck. Sie erschließt Anwendungen, die bislang jenseits der technischen Reichweite lagen. So könnten transportable Systeme in der Geodäsie künftig helfen, das lokale Schwerefeld der Erde hochauflösend zu erfassen – beispielsweise, um Bodenhebungen als Folge der Entnahme von Grundwasser zu dokumentieren oder den Rückgang von Gletschern zu verfolgen. „Ein Höhenunterschied von einem Zentimeter bewirkt bereits eine messbare Frequenzverschiebung“, sagt PTB-Expertin Mehlstäubler. Auf elegante Weise werden optische Uhren so zu hochempfindlichen Gravitationssensoren – ganz ohne die bislang üblichen mechanischen Bauteile.

In der Erdsystemforschung bieten sich weitere Anwendungen. So könnten optische Uhren dabei helfen, kleinste Veränderungen im Schwerefeld frühzeitig zu erkennen. Und sie eignen sich dafür, den Meeresspiegel und seine Veränderungen sehr präzise zu bestimmen.

In modernen Netzen der Telekommunikation ermöglicht die Technik der hochpräzisen optischen Atomuhren eine neue Taktbasis für Glasfaserverbünde, Rechenzentren oder Quantenknoten. Wer Quantenbits verlässlich verschlüsseln oder über große Entfernungen hinweg synchronisieren will, braucht eine Frequenzstabilität im Bereich von 10⁻¹⁷. Diesen unvorstellbar feinen Wert erreichen nur optische Atomuhren. Einmal in Gang gesetzt, bräuchten zwei solcher Uhren länger als die von Astrophysikern erwartete Existenzdauer der Erde von rund 4,5 Milliarden Jahren, um die Zeit auch nur um eine Sekunde unterschiedlich anzuzeigen.

Diese unvorstellbar hohe Ganggenauigkeit kann dazu beitragen, den wachsenden Bedarf an einer verbesserten Synchronisation in der Kommunikationstechnik zu befriedigen. Optisch getaktete Glasfasernetze versprechen eine höhere Datensicherheit und einen vergleichsweise geringen Bedarf an Energie. In Systemen zur Quantenkommunikation, wie sie derzeit etwa in Europa, Japan und China entwickelt werden, sind sehr stabile Frequenzreferenzen unverzichtbar – zum Beispiel bei der Übertragung von Quantenschlüsseln für eine bestmögliche Datensicherheit oder zum Abgleichen der Inhalte verteilter Quantenspeicher.

Chronometer für die Raumfahrt

Auch die Raumfahrt profitiert von präzisen Chronometern. Navigation, die Übertragung von Zeitsignalen und physikalische Experimente wie fundamentale Tests der Relativitätstheorie hängen unmittelbar an der Stabilität der verwendeten Uhren. Bislang kommen an Bord von Satelliten meist kompakte Rubidium- und Wasserstoff-Atomuhren zum Einsatz, die zur Zeitmessung elektronische Übergänge im Mikrowellenbereich nutzen und die trotz ihrer robusten Bauweise nur ungefähr eine Sekunde im Verlauf von 10.000 Jahren falsch gehen.

Optische Atomuhren wie die miniaturisierte Topticlock könnten diesen Standard künftig ablösen. Sie bieten eine deutlich größere Stabilität – und eröffnen damit ganz neue Möglichkeiten: zum Beispiel für die präzise Positionsbestimmung ohne GPS-Satelliten, die feine Vermessung des Gravitationsfelds der Erde aus dem Orbit oder den exakten Vergleich von Zeitreferenzen über interkontinentale Distanzen hinweg. Auch bei Raumfahrtmissionen zur Suche nach der immer noch rätselhaften Dunklen Materie oder zur Erkundung fundamentaler kosmologischer Konstanten gelten optische Atomuhren als Schlüsseltechnologie.

Serieneinsatz steht noch bevor

Doch trotz aller technischen Fortschritte sind solche Zeitmesser bislang keine Serienprodukte. Zwar ist inzwischen vieles daran miniaturisiert, aber nicht alle Komponenten sind robust genug für den Einsatz im Gelände oder Weltall. Noch laufen viele dieser Systeme nur unter Laborbedingungen. Die entscheidende Herausforderung ist die Integration, betont der Berliner Wissenschaftler Schkolnik, „die Schaffung eines Uhrensystems, das stabil, kompakt, vibrationsresistent und automatisiert steuerbar ist“. Wenn beispielsweise ein Einsatz in einer Messstation in den Bergen der Alpen ansteht, darf nicht erst jedes Mal eine stundenlange Justage durch einen Fachmann anstehen.

Hinzu kommt, dass der Energieverbrauch noch ein Hindernis für Routineanwendungen darstellt. Denn die aktuellen Systeme benötigen eine Leistung von mehreren Hundert Watt – zu viel für Satelliten, mobile Forschungsstationen oder Flugzeuge. An diesem Manko setzen Forschungsprojekte und industrielle Entwicklungen an photonisch integrierten Chips an: Deren Ziel ist eine Uhr, die sich mit wenigen Watt betreiben lässt und trotzdem ihre große Präzision behält.

Gelingt der Schritt zur robusten Kompaktheit, könnten optische Atomuhren nicht nur in zahlreichen Zukunftsfeldern wie der Erdsystemforschung und der Quantenkommunikation eine zentrale Rolle spielen. Überdies könnten kompakte optische Uhren künftig auch Instituten und Forschungsgruppen offenstehen, die nicht über die personellen und technischen Ressourcen verfügen, um über Jahre hinweg eine eigene Atomuhr aufzubauen – wohl aber hochpräzise Messsysteme benötigen. Eine standardisierte Uhr im Rack-Format senkt die Einstiegshürde für wissenschaftliche Teams und eröffnet somit neue Nutzerkreise, zum Beispiel in der Umweltforschung, Technik und Grundlagenphysik.

Doch bevor die neue Zeitrechnung beginnt, müssen verschiedene Kandidaten von optischen Uhren wie einst die Cäsiumuhren aufeinander abgestimmt und miteinander verglichen werden. Nur wenn verschiedene Systeme dieselben atomaren Übergänge reproduzierbar messen, kann daraus ein neuer globaler Standard entstehen. Genau das geschieht derzeit im Rahmen internationaler Vergleiche – unter anderem mit der Topticlock als einem transportablen Referenzsystem.

Langfristig könnten optische Atomuhren also die Definition der Sekunde neu und um Größenordnungen genauer bestimmen. Bislang basiert die Weltzeit auf einem Ensemble von Cäsiumuhren. Doch im Hintergrund bereitet die internationale Metrologie-Community bereits den Übergang zur optischen Sekunde vor – getragen von jenen kompakten Messstationen, die gerade den Laborkeller verlassen.

Eine neue Zeit beginnt

Laut Wilhelm Kaenders von Toptica Photonics ist die „optische Sekunde“ der „Cäsium-Sekunde“ in puncto Präzision längst überlegen – die internationale Einführung ist für ihn nur eine Frage der Zeit. Er rechnet mit einem schrittweisen Übergang in den nächsten Jahren. Auch PTB-Forscherin Tanja Mehlstäubler betont die Bedeutung internationaler Vergleichsmessungen. Wie im globalen Navigationssegment müssen auch erdgebundene Uhren regelmäßig verglichen werden, um mögliche Fehlgänge zu entdecken – oder, um ihre unterschiedlichen Höhen zu bestimmen. Die Topticlock könnte dabei als Referenzsystem eine wichtige Rolle spielen – und zum Meilenstein werden auf dem Weg hin zur globalen optischen Sekunde.

Was mit dem Frequenzkamm von Theodor Hänsch begonnen hat, entwickelt sich somit zu einer technologischen Zeitenwende. Miniaturisierung, Integration und internationale Kooperation treiben die Entwicklung voran – und lassen ein neues Fundament für die Zeitmessung entstehen. Deren Standard wird vielleicht bald eine Sekunde sein, die aus Licht gewonnen wird. ■

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