Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atomuhrenvergleich über die Datenautobahn

27.04.2012
Glasfaserkabel könnten in Zukunft alle optischen Atomuhren Europas verbinden – ein großer Nutzen für Anwender optischer Frequenzen in Forschung und Industrie.
(Gemeinsame Presseinformation der PTB und des Max-Planck-Instituts für Quantenphysik, MPQ)

Optische Atomuhren messen die Zeit mit überragender Genauigkeit. Doch erst die Möglichkeit, sie mit anderen Uhren zu vergleichen, macht sie einsatzbereit für hochpräzise Tests fundamentaler Theorien, von der Kosmologie bis hin zur Quantenphysik. Ein Uhrenvergleich, d. h. ein Vergleich der optischen Frequenzen, gestaltet sich bislang jedoch sehr schwierig, denn die weltweit wenigen Exemplare sind sehr komplex aufgebaut und lassen sich nur mit größtem Aufwand transportieren.

Atomuhrenvergleich über die Datenautobahn (künstlerische Darstellung)
(Abb.: MPQ - woogie-works Wien)

Ein Team von Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und der Abteilung Laserspektroskopie am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching hat jetzt gezeigt, dass sich optische Frequenzen mit hoher Stabilität über herkömmliche Telekommunikations-Glasfaserstrecken übertragen lassen, selbst über ein 920 Kilometer langes, unterirdisch verlegtes Kabel, das Labore an beiden Instituten verbindet (Science, 27. April 2012).

Damit besteht jetzt prinzipiell die Möglichkeit, optische Uhren über große Distanzen miteinander zu vergleichen bzw. ihre Genauigkeit auch in weit entfernten Laboren für Präzisionsmessungen zu nutzen. Profitieren wird davon zunächst die Grundlagenforschung, etwa bei der präzisen Bestimmung der Naturkonstanten, der Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein oder von Vorhersagen der Quantenelektrodynamik.

In einer Atomuhr sind Zeiteinheiten über die Frequenz der Strahlung definiert, die ein Atom beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus aussendet. Die Zeiteinheit „Sekunde“ bezieht sich auf die vom Cäsium-Isotop 133 ausgesendeten Mikrowellen, d. h. der Sekundenzeiger wird nach 9 192 631 770 Schwingungen um eine Einheit weiter gesetzt. Die Realisierung und Verbreitung der Sekunde über die PTB ist in Deutschland gesetzlich festgelegt. Optische Atomuhren verwenden eine etwa 100 000-mal höhere Frequenz und erlauben daher eine weit feinere Zeitunterteilung. Atomuhren der neusten Generation gehen bereits so genau, dass sie erst in der 18. Dezimalstelle voneinander abweichen – bzw. um eine Sekunde in einem Zeitraum, der dem Alter des Universums entspricht.

Doch wie gut lassen sich optische Frequenzen über weite Entfernungen übertragen? Herkömmliche Verfahren mithilfe von Satelliten erreichen hier eine Genauigkeit von 15 Dezimalstellen. Das ist gut genug für Signale im Mikrowellenbereich, aber zu grob, um das Potenzial optischer Atomuhren auszuschöpfen. Die MPQ/PTB-Forscher haben daher in den letzten Jahren untersucht, wie sich optische Frequenzen in Glasfaserkabeln übertragen lassen. Unterstützung erhielten sie dabei von dem Exzellenzcluster QUEST der Leibniz Universität Hannover, von der European Space Agency (ESA), dem Deutschen Forschungsnetz (DFN) und GasLine, einer Telekommunikationsnetzgesellschaft deutscher Gasversorgungsunternehmen.

In dem Projekt speisen die Wissenschaftler das Licht eines hochstabilen Lasers mit einer Wellenlänge von etwa 1,5 Mikrometern (nahes Infrarot) in ein Glasfaserkabel ein, das zwischen der PTB in Braunschweig und dem MPQ in Garching unterirdisch verlegt ist. Es handelt sich dabei um ein auch in der Telekommunikation übliches Kabel, mit einer relativ geringen Dämpfung für Strahlung im nahen Infrarot. Um ein Signal jedoch über eine so weite Strecke ohne nennenswerte Leistungseinbuße zu übertragen, muss es immer wieder aufgefrischt werden. Dazu wurden neuartige optische Verstärkereinheiten entwickelt und über die gesamte Glasfaserstrecke verteilt aufgebaut.

Ein weiteres Problem sind Verfälschungen der ursprünglichen Laserfrequenz, hervorgerufen durch mechanische, akustische und thermische Störungen, die z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen, Straßenverkehr oder Bauarbeiten entstehen. Mit neuen Verfahren können diese Störungen so gut erfasst, „ausgeregelt“ und kompensiert werden, dass sich die ganze 920 Kilometer lange Glasfaserverbindung zwischen Braunschweig und Garching optisch um weniger als einen Atomdurchmesser in der Sekunde ändert. Die dem Anwender im Partnerlabor zur Verfügung stehende Frequenz von 194 353 Gigahertz weicht deshalb nur um weniger als ein zehntausendstel Hertz von der eingespeisten Frequenz ab. Die Probe aufs Exempel machten Wissenschaftler der Abteilung Laserspektroskopie: sie nutzten das Signal der primären Cäsiumuhr der PTB für die Spektroskopie von Wasserstoff am MPQ. Dieses wurde über einen Frequenzkamm mit der optischen Phase des eingespeisten Lasers verglichen. Dabei wurde eine weit höhere Genauigkeit erreicht, als mit Satelliten-gestützter Übertragung möglich gewesen wäre.

Optische Frequenzen können also mit einer Qualität verteilt werden, wie sie bislang nur lokal an Metrologieinstituten zur Verfügung stand. Die Verwendung der Glasfaserinfrastruktur, die z.B. die nationalen Forschungsnetze schon heute bereitstellen, wird es ermöglichen, optische Atomuhren in Zukunft europaweit zu vernetzen. So wie es heute zum Stand der Technik gehört, dass herkömmliche Uhren und Wecker per Funk die „richtige Zeit“ von der PTB über den Langwellensender DCF77 empfangen, wird die Verbreitung einer optischen Referenz per Glasfaser zur Bestimmung der Wellenlänge bzw. Frequenz optischer Strahlung eine breite Anwendung in Forschung und Industrie finden.
es/ptb

Originalveröffentlichung:
K. Predehl, G. Grosche, S.M.F. Raupach, S. Droste, O. Terra, J. Alnis, Th. Legero, T.W. Hänsch, Th. Udem, R. Holzwarth, and H. Schnatz:
A 920 km Optical Fiber Link for Frequency Metrology at the 19th Decimal Place.
Science, 27. April 2012

Kontakt:
Dr. Harald Schnatz, Fachbereich 4.3 Quantenoptik und Längeneinheit, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: (0531) 592-4300, E-Mail: harald.schnatz@ptb.de

Dr. Gesine Grosche, Fachbereich 4.3 Quantenoptik und Längeneinheit, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Bundesallee 100, 38116 Braunschweig
Tel.: (0531) 592 -4318, E-Mail: gesine.grosche@ptb.de

Katharina Predehl, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Straße 1, 85748 Garching bei München, Tel.: (089) 32905-295,E-Mail: katharina.predehl@mpq.mpg.de

Dr. Ronald Holzwarth, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Straße 1, 85748 Garching bei München, Tel.: (089) 32905-262, E-Mail: ronald.holzwarth@mpq.mpg.de

Erika Schow | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Kamera für unsichtbare Felder
22.07.2016 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Atmosphärenchemie kurz notiert
21.07.2016 | Universität Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Superschneller Internetfunk dank Terahertz-Strahlung

Wissenschaftler aus Dresden und Dublin haben einen vielversprechenden technologischen Ansatz gefunden, der Notebooks und anderen mobilen Computern in Zukunft deutlich schnellere Internet-Funkzugänge ermöglichen könnte als bisher. Die Teams am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und am irischen Trinity College Dublin brachten hauchdünne Schichten aus einer speziellen Verbindung von Mangan und Gallium dazu, sehr effizient Strahlung im sogenannten Terahertz-Frequenzbereich auszusenden. Als Sender in WLAN-Funknetzen eingesetzt, könnten die höheren Frequenzen die Datenraten zukünftiger Kommunikations-Netzwerke spürbar erhöhen.

„Wir halten diesen Ansatz für technologisch sehr interessant“, betont Dr. Michael Gensch, Leiter einer Arbeitsgruppe am HZDR, die sich mit den...

Im Focus: Newly discovered material property may lead to high temp superconductivity

Researchers at the U.S. Department of Energy's (DOE) Ames Laboratory have discovered an unusual property of purple bronze that may point to new ways to achieve high temperature superconductivity.

While studying purple bronze, a molybdenum oxide, researchers discovered an unconventional charge density wave on its surface.

Im Focus: Forschen in 15 Kilometern Höhe - Einsatz des Flugzeuges HALO wird weiter gefördert

Das moderne Höhen-Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) wird auch in Zukunft für Projekte zur Atmosphären- und Erdsystemforschung eingesetzt werden können: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligte jetzt Fördergelder von mehr als 11 Millionen Euro für die nächste Phase des HALO Schwerpunktprogramms (SPP 1294) in den kommenden drei Jahren. Die Universität Leipzig ist neben der Goethe-Universität Frankfurt am Main und der Technischen Universität Dresden federführend bei diesem DFG-Schwerpunktprogramm.

Die Universität Leipzig wird von der Fördersumme knapp 6 Millionen Euro zur Durchführung von zwei Forschungsprojekten mit HALO sowie zur Deckung der hohen...

Im Focus: Mapping electromagnetic waveforms

Munich Physicists have developed a novel electron microscope that can visualize electromagnetic fields oscillating at frequencies of billions of cycles per second.

Temporally varying electromagnetic fields are the driving force behind the whole of electronics. Their polarities can change at mind-bogglingly fast rates, and...

Im Focus: Rekord in der Hochdruckforschung: 1 Terapascal erstmals erreicht und überschritten

Einem internationalen Forschungsteam um Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, im Labor einen Druck von 1 Terapascal (= 1.000.000.000.000 Pascal) zu erzeugen. Dieser Druck ist dreimal höher als der Druck, der im Zentrum der Erde herrscht. Die in 'Science Advances' veröffentlichte Studie eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten für die Physik und Chemie der Festkörper, die Materialwissenschaft, die Geophysik und die Astrophysik.

Extreme Drücke und Temperaturen, die im Labor mit hoher Präzision erzeugt und kontrolliert werden, sind ideale Voraussetzungen für die Physik, Chemie und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kongress für Molekulare Medizin: Krankheiten interdisziplinär verstehen und behandeln

20.07.2016 | Veranstaltungen

Ultraschnelle Kalorimetrie: Gesellschaft für thermische Analyse GEFTA lädt zur Jahrestagung

19.07.2016 | Veranstaltungen

Das neue Präventionsgesetz aktiv gestalten

19.07.2016 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fünf häufige Irrtümer bei der Datenrettung

25.07.2016 | Unternehmensmeldung

Für Sprünge ans rettende Ufer: Käfer reduziert Oberflächenspannung mit körpereigener Substanz

25.07.2016 | Biowissenschaften Chemie

Ökohaus-Pionier bei seinen Kunden äußerst beliebt

25.07.2016 | Unternehmensmeldung