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StartseiteForschung aktuellErstmals über große Distanz verbunden22.08.2016

Optische AtomuhrenErstmals über große Distanz verbunden

Forscher der physikalisch-technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig haben erstmals eine spezielle Glasfaserverbindung getestet, um die beiden genauesten optischen Atomuhren Europas zu verbinden. Die eine steht in Paris, die andere in Braunschweig.

Dr. Gesine Grosche im Gespräch mit Ralf Krauter

Uhrenpark auf dem Gelände der ehemaligen Bundesgartenschau in Düsseldorf. (picture alliance / Gero Breloer)
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Im Interview mit DLF-Moderator Ralf Krauter erklärt Dr. Gesine Grosche, die Leiterin der PTB-Arbeitsgruppe Frequenzübertragung mit Glasfasern, wie Sie und ihr Team die beiden ultrapräzisen Taktgeber vernetzt haben und welche Vorteile für die Wissenschaft das bringt.

Ralf Krauter: Frau Grosche, wie sah diese Glasfaserverbindung aus?

Gesine Grosche: Zunächst einmal bilden wir diese optische Frequenz ab, auf etwas, das wir überhaupt übertragen können. Und wir benutzen einfach Telekommunikationsglasfasern, also die Glasfasern, wie Sie sie für ihr Internet auch benutzen. Das ist Licht bei 1,5 Mikrometern und wir benutzen ein Gerät um die Frequenz erst einmal auf diese Wellenlänge zu bringen. Dann speisen wir dieses Licht an einem Ende dieser Glasfaser ein, die wir angemietet haben, und stellen die Verbindung her - erstmal bis nach Straßburg. Und die Franzosen haben auch eine Verbindung hergestellt: Aus Paris bis nach Straßburg. Und jetzt treffen diese beiden Signale in Straßburg aufeinander. Und dort können wir die Frequenzen dann miteinander vergleichen. Wichtig ist allerdings: Obwohl diese unterirdisch verlegte Glasfaser an sich schon sehr stabil ist - wenn Sie dort Licht einer bestimmten Frequenz einspeisen, kommt das schon ungefähr so raus, wie sie es reingesteckt haben - reicht das für unsere Anforderungen noch nicht aus. Also da sind Schwankungen von einem Teil von zehn hoch dreizehn drauf. Deshalb wenden wir einen einfachen Trick an: Wir schicken einen Teil des Lichtes wieder zurück, hier an die PTB, also in Straßburg steht praktisch ein Spiegel. Und wir detektieren die Störungen die auf dem Hin- und Rückweg entstanden sind - also die Frequenzverschiebungen. Ungefähr können Sie sich vorstellen, wir teilen die jetzt durch zwei und wenden am Eingang schon eine Korrektur an. Und die sorgt dann dafür, dass in Straßburg die richtige Frequenz ankommt.

Krauter: Das klingt technologisch sehr aufwendig. Was ist rausgekommen dabei? Erwarten würde man ja, dass die beiden Uhren in Paris und Braunschweig erstmal im gleichen Takt Signale abgeben. Tun sie das?

Grosche: Ja, das ist schon das sehr Erfreuliche. Ich möchte  aber noch auf eine andere Herausforderung eingehen, weil die vielleicht bei der Technik sogar für viele noch einfacher verständlich ist. Glasfaser hat eine sehr geringe Dämpfung - trotzdem wird das Licht auf 100km abgeschwächt auf circa 1%. Bei 200km ist es schon ein Zehntausendstel. Um das zu kompensieren, haben wir ganz spezielle Verstärker eingebaut, die dafür sorgen, dass wir über diese lange Distanz tatsächlich auch durchgehend ein Signal erhalten. Und das ist eigentlich die neue Entwicklung, die wir hier in den letzten drei Jahren besonders vorangetrieben haben: Wir setzen Module ein, bei denen Schallwellen das Licht verstärken. Das ist ein sehr schmalbandiger Prozess, der nur in einem bestimmten, engen Frequenzbereich funktioniert. Und das erlaubt uns aber, sehr stabile Signale zu erhalten.

Angestrebt ist ein europäisches Netzwerk

Krauter: Da kann man, jetzt wo Sie das schildern, auch nachvollziehen, warum da jahrlange Vorarbeiten notwendig waren, bis das Experiment starten konnte. Was ist denn jetzt rausgekommen? Können Sie bestätigen, dass beide Uhren im selben Takt schwingen?

Grosche: Ich weiß, dass tatsächlich meine Kollegen, die Uhrenbauer, durchaus ein bisschen nervös wurden, weil man ja auch jahrelang daran gearbeitet hat und man gibt eine gewisse Unsicherheit für seine Uhr vor. Und die Freude war sehr groß als wir dann sehen konnten: 'Jawohl, das passt!' - mit einer Genauigkeit von fünf mal zehn hoch minus siebzehn. Das sind also schon unvorstellbare Größenordnungen. Das ist also die gemeinsame Unsicherheit der Strontium-Uhr in Paris und der hier in Braunschweig. Und jetzt könnte man fragen: Was trägt der Übertragungsweg noch bei? Der Beitrag war tatsächlich noch einmal zwei Größenordnungen darunter. Sie können also im Prinzip jetzt auch Uhren vergleichen, die nochmal einen Faktor zehn oder einen Faktor hundert genauer sind als das, was zurzeit so in Europa zur Verfügung steht. Da eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten.

Krauter: Die Vision, die Sie und andere antreibt, ist ja quasi ein europaweites Netzwerk von solchen ultrapräzisen optischen Atomuhren aufzubauen. Die jetzt demonstrierte Glasfaserverbindung über 1400km ist ein Meilenstein auf dem Weg dahin. Was genau hätten Normalsterbliche davon, wenn so ein Netzwerk existieren würde?

Grosche: Es ist eine Triebfeder für bestimmte physikalische Experimente, zum Beispiel um Fundamentalkonstanten zu untersuchen. Sind die wirklich konstant über die Zeit? Das ist etwas, was man nur mit extrem präzisen Instrumenten untersuchen kann - und das sind diese optischen Uhren, die man dann untereinander vergleichen würde.

Die langfristige Perspektive ist tatsächlich die SI-Sekunde neu zu definieren. Also wenn man diese schönen optischen Uhren bei einzelnen Instituten nun hat, muss man zunächst einmal bestätigen: Gehen sie wirklich so genau, wie wir glauben? Und man möchte natürlich auch in der Lage sein, diese hochpräzisen Signale für die Anwender zur Verfügung zu stellen. Es bringt wenig, wenn ich eine ganz tolle Uhr habe, die auch zehn hoch minus zwanzig kann, aber ich die Information für niemanden zur Verfügung stellen kann. Das ist also die Triebfeder, jetzt ein europäisches Netz aufzubauen - also zum einen die Uhrenentwicklung zu unterstützen und zum anderen auch vorzubereiten, dass wir in der Lage sind, zukünftig solche hochpräzisen Frequenzsignale an Nutzer zu verteilen.

Vernetzte Uhren

Krauter: Eine andere spannende Anwendung ist ja, dass man solche vernetzten Uhren auch benutzen könnte, um zum Beispiel die Geodäsie auf eine neue Qualitätsstufe zu heben.

Grosche: Wenn man mal zurückschaut: Vor 50 Jahren ungefähr haben Physiker in einem Artikel "Apparent Weight of Photons" die so genannte Gravitationsrotverschiebung nachgewiesen, die besagt: Wenn Licht sich gegen die Gravitation nach oben bewegt, verliert es praktisch an Energie, also die Frequenz oben ist etwas niedriger als unten. Wir drehen jetzt den Spieß um: Wir wissen, dass es die Gravitationsverschiebung gibt. Sie führt dazu, dass eine Uhr, die sich etwas höher befindet, etwas schneller zu ticken scheint. Und das benutzen wir jetzt und haben es jetzt auch schon bestätigt, dass eben zwei identische Strontium-Uhren mit etwa 22 Metern Höhenunterschied tatsächlich auch einen Gangunterschied aufzuweisen scheinen, den wir sehen, indem wir eben das Licht von der einen zur anderen schicken - in diesem Fall über 1400km. Das ist also die Anwendung, den Spieß umzudrehen, zu sagen: Okay wir können. indem wir diese Verschiebung messen, tatsächlich Höhe bestimmen. Und das ist etwas, was die Geodäten sehr stark interessiert: Das Geoid, die Referenzfläche für Höhenmessungen. Normalerweise kann das über größeren Distanzen nicht so genau vermessen und da wären jetzt die optischen Uhren in Verbindung mit einem Glasfaserlink eine neue Möglichkeiten, um relative Höhenunterschiede zu bestimmen.

Krauter: Und Sie konnten tatsächlich in diesem ersten Versuch schon zeigen, dass die minimale Frequenzverschiebung, die da auftrat, genau korreliert mit dem Höhenunterschied der beiden Labore in Braunschweig und Paris.

Grosche: Genau. Wir haben einen Unterschied von etwa zwei mal zehn hoch minus fünfzehn beobachtet, in diesem Fall mit einer Ungenauigkeit von fünf mal zehn hoch minus siebzehn. Das entspricht einer Höhenunsicherheit von einem halben Meter. Es waren etwa 22,5 Meter Höhenunterschied, die man jetzt über eine solche große Distanz absolut eben mit diesen optischen Uhren bestimmen kann.

Äußerungen unserer Gesprächspartner geben deren eigene Auffassungen wieder. Der Deutschlandfunk macht sich Äußerungen seiner Gesprächspartner in Interviews und Diskussionen nicht zu eigen.

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