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Frequenzvergleich Optische Atomuhren über Glasfaserkabel verbunden

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Über eine 1400 km lange Glasfaserstrecke lassen sich hochgenaue Frequenzen übertragen, um die optischen Atomuhren in Deutschland und Frankreich untereinander abzugleichen.

Die beiden optischen Atomuhren in Paris und Braunschweig sind über eine 1400 km langes Glasfaserkabel verbunden, um hochgenaue Frequenzen zu übertragen.
Die beiden optischen Atomuhren in Paris und Braunschweig sind über eine 1400 km langes Glasfaserkabel verbunden, um hochgenaue Frequenzen zu übertragen.
(Bild: Physikalisch Technische Bundesanstalt)

Optische Atomuhren haben in den letzten Jahren spektakuläre Fortschritte gemacht. Sie sind 100-mal genauer als die besten Cäsium-Atomuhren. Leider ist ihre Genauigkeit nur lokal nutzbar, denn die herkömmliche Übertragungstechnik per Satellit verursacht eine zu hohe Frequenzunsicherheit. Ein direkter Draht zwischen Frankreich und Deutschland ändert das: Über eine 1400 km lange Glasfaserstrecke zwischen Braunschweig und Paris lassen sich hochgenaue Frequenzen übertragen.

In diesen Städten betreiben die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und das Institut Systèmes de Référence Temps-Espace (LNE-SYRTE) die genauesten optischen Uhren Europas. Ebenfalls am Uhrenvergleich beteiligt ist das französische Laboratoire de Physique des Lasers (LPL).

Frequenzübertragung per Satellit stößt an Grenzen

Die genauesten Atomuhren basieren aktuell auf optischen Übergängen. Solche optischen Uhren können eine stabile Frequenz mit einer relativen Unsicherheit von wenigen 10–18 liefern. Somit sind sie etwa 100-mal genauer als die besten Cäsium-Fontänenuhren, die zurzeit die SI-Einheit Sekunde realisieren. Doch Vergleiche, bei denen Frequenzen optischer Uhren per Satellit übertragen werden, stoßen bei einer Frequenzunsicherheit von 10–16 an ihre Grenzen. Die Glasfaserstrecke zwischen Braunschweig und Paris beruht auf kommerziellen Glasfasern, bei denen Frequenzverschiebungen um bis zu 6 Größenordnungen aktiv unterdrückt und Leistungsverluste von 200 dB (1020) mit speziellen Verstärkern ausgeglichen werden.

Der deutsche Teil der Strecke nutzt kommerziell angemietete Glasfasern und Einrichtungen des Deutschen Forschungsnetzes (DFN). Der französische Teil nutzt das Netz des Bildungs- und Forschungsministeriums RENATER, das von GIP RENATER betrieben wird. Etwa in der Mitte der Strecke, im IT-Zentrum der Universität Straßburg, treffen sich die Signale aus dem LNE-SYRTE und der PTB, sodass die Uhren der beiden Institute dort miteinander verglichen werden können.

Nur eine geringe Frequenzschwankung

Dass die Strecke tatsächlich die hohen Erwartungen erfüllt, zeigte sich beim ersten Vergleich der beiden optischen Strontium-Gitteruhren von PTB und LNE-SYRTE. Bereits nach einer Mittelungszeit von nur 2000 Sekunden lag die Frequenzschwankung bei weniger als 2·10–17, und diese zeigt die hohe Stabilität der Uhren. Über die Strecke lassen sich schnelle Uhrenvergleiche mit einer Unsicherheit von weniger als 10–18 übertragen. Da beide Uhren auf demselben atomaren Übergang basieren, sollten sie theoretisch exakt die gleiche Frequenz liefern. Doch ihre Standorte haben eine Höhendifferenz von 25 Metern, die sich durch eine Gravitationsrotverschiebung ausdrückt. Tatsächlich konnte das innerhalb der kombinierten Unsicherheit der Uhren von 5·10–17 bestätigt werden.

Langfristig könnte ein solches Netzwerk den verschiedensten Nutzern ultrastabile und hochgenaue optische Referenzsignale liefern, wie sie zurzeit nur in Metrologieinstituten verfügbar sind. Davon könnten verschiedene Forschungsgebiete profitieren: unter anderem die Grundlagenphysik für Tests der fundamentalen Gesetze der Physik, die Geowissenschaften und nicht zuletzt auch die Metrologie. Damit ist auch ein weiterer Schritt getan, um auf dem Weg zu einer Neudefinition der Sekunde optische Uhren an der Realisierung der weltweiten Zeitskala zu beteiligen.

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