Quantenuhren für den Alltag

Blick auf eine Wolke von blau fluoreszierenden Strontiumatomen. Sie werden mithilfe von Laserstrahlen bis auf Temperaturen dicht am absoluten Nullpunkt gekühlt. Gut sichtbar ist der Kranz aus sechs Spiegeln, die die Strahlen reflektieren.
(c) PTB

Ein europäisches Projekt macht optische Uhren mit Neutralatomen praxistauglich.

Quantenuhren können so genau messen, dass sie in Geodäsie und Klimaforschung als empfindliche Sensoren dienen können, um die Oberfläche der Erde genauer zu vermessen oder die Erhöhung des Meeresspiegels aufgrund der Klimaerwärmung zu verstehen. Doch bislang sind diese Uhren sehr aufwendige wissenschaftliche Geräte, die von Atomuhrspezialistinnen und spezialisten betrieben werden müssen.

Ein gerade gestartetes europäisches Projekt will nun eine sehr genaue, aber deutlich robustere Quantenuhr entwickeln, die im Forschungsalltag ohne diese metrologische Spezialbetreuung auskommt. Das Projekt heißt AQuRA (Advanced Quantum Clock for Real World Applications) und wird von der EU mit 7,5 Millionen Euro gefördert. Die Koordination liegt bei der Universität Amsterdam. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) bringt ihre hohe Expertise aus dem Betrieb der besten Strontiumgitteruhren Europas in das Projekt ein.

Das Herzstück der transportablen Gitteruhr der PTB: In dem Vakuumsystem werden im blau leuchtenden Bereich Strontiumatome mit Laserlicht auf Temperaturen dicht an den absoluten Nullpunkt abgekühlt. Diese Atome dienen als Referenz der optischen Atomuhr.
(c) PTB

Moderne optische Atomuhren sind die genauesten und präzisesten je gebauten Messgeräte. In ihnen ist die Taktfrequenz etwa 10 000-mal höher als bei den Cäsiumuhren (sie liegt damit nicht mehr im Mikrowellen-, sondern im optischen Spektralbereich). Die „feinere Taktung“ macht sie noch einmal deutlich genauer. Man kann sie zum Beispiel nutzen, um geodätische Höhen zu vermessen. „In Zukunft sind sie perfekt für Fragen der Klimaforschung“, erläutert PTB-Physiker Christian Lisdat.

„Mit ihnen lässt sich mit großer Genauigkeit und Verlässlichkeit über Jahre hinweg verfolgen, wie stark sich etwa der Meeresspiegel infolge der Klimaerwärmung hebt. Aber dafür müssen die empfindlichen Uhren durch die Lande gefahren und an verschiedenen Orten betrieben werden können, ohne dass wir Atomuhr-Spezialistinnen und -spezialisten ständig vor Ort dabei sind.“

Das ist ein anspruchsvolles Ziel, denn bisher erfordern die Uhren aufwendige quantentechnologische Aufbauten, die ganze Labore füllen. Sie stehen in spezialisierten Metrologieinstituten. Zwar hat die PTB bereits eine transportable optische Strontiumuhr entwickelt, die auf einem PKW-Anhänger Platz findet. „Aber diese Uhr ist ein fahrendes wissenschaftliches Speziallabor und benötigt für den Betrieb unser Spezial-Knowhow“, erklärt Christian Lisdat.

In dem nun bewilligten europäischen Projekt wollen er und die anderen Beteiligten nun einen Schritt weiter gehen: Entstehen soll eine Uhr mit einer nur geringfügig höheren Unsicherheit (angestrebt ist 5 · 10E–18 gegenüber 1 · 10E–18 bei der Uhr auf dem PKW-Anhänger), aber dafür mit deutlich höherer Robustheit. Dazu bringt die PTB ihr umfangreiches Wissen aus dem Betrieb der europaweit genauesten optischen Uhren mit neutralen Strontiumatomen ein. „Unser Part im Projekt ist die grundsätzliche Designberatung und die spätere Prüfung des Systems“, erläutert Lisdat.

AQuRA steht für „Advanced Quantum Clock for Real-World Applications“. Neben der koordinierenden Universität Amsterdam (Niederlande) sind acht weitere Beteiligte aus sechs europäischen Ländern dabei, sowohl aus Universitäten und Metrologieinstituten als auch aus der Industrie: Menlo Systems GmbH (Deutschland), NKT Photonics A/S (Dänemark), iXblue (Frankreich), Centre National de la Recherche Scientifique (Frankreich), Uniwersytet Mikolaja Kopernika w Toruniu (Polen), QuiX Quantum BV (Niederlande), Vexlum Oy (Finnland) und die PTB (Deutschland). Das Projekt wird im Rahmen des Förderprogramms Horizon Europe research and innovation programme der EU mit 7,5 Millionen Euro finanziert (grant agreement No 101080166) und läuft über 3,5 Jahre.
(es/ptb)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

PD Dr. Christian Lisdat, Arbeitsgruppe 4.32 Optische Gitteruhren, Telefon: (0531) 592-4320, christian.lisdat@ptb.de

Weitere Informationen:

http://www.aquraclock.eu Mehr Information auf der AQuRA-Website

http://www.ptb.de/

Media Contact

Dipl.-Journ. Erika Schow Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

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