Vernetzte Lichtuhren legen den Grundstein für eine Neudefinition der Sekunde

Elektronik

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 17.06.2025

Präzise Zeit- und Frequenzsignale sind für Technologien wie GPS, die Steuerung von Stromnetzen und die Abwicklung von Finanztransaktionen unerlässlich. [Bild: Lovisa Hakansson/Chalmers University of Technology]

Zurücksetzen der Sekunde

Es scheint klar, dass die Zukunft der Zeitmessung den optischen Atomuhren gehört , und das größte Interesse liegt in der Neudefinition unserer Zeiteinheit, der Sekunde , einer Konstanten des Internationalen Einheitensystems.

Optische Atomuhren stellen eine neue Generation herkömmlicher Atomuhren dar. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei ihnen die Takte durch die Frequenz der Lichtschwingung eines Lasers und nicht durch ein Atom bestimmt werden.

Schon heute sind optische Uhren etwa 100-mal genauer als die besten Cäsiumuhren und messen die Zeit so präzise, ​​dass sie über Milliarden von Jahren weniger als eine Sekunde verlieren oder gewinnen würden.

Um die Sekunde neu zu definieren, ist es jedoch notwendig, die Daten mehrerer optischer Uhren zu vergleichen, um zu überprüfen, ob sie wie erwartet funktionieren und miteinander übereinstimmen. Zu diesem Zweck haben Forscher nun im Rahmen eines großen, von der Europäischen Union geförderten Gemeinschaftsprojekts einen hochgradig koordinierten Vergleich optischer Uhren in sechs Ländern durchgeführt.

„Der gleichzeitige Vergleich mehrerer Uhren und die Verwendung unterschiedlicher Verbindungstechnologien liefert deutlich mehr Informationen als die bislang meist paarweisen Uhrenvergleiche“, sagte Thomas Lindvall vom VTT-Institut in Finnland. „Mit einer koordinierten Messreihe lässt sich die Konsistenz überprüfen und gleichzeitig zuverlässigere Ergebnisse erzielen. Diese Ergebnisse könnten dazu beitragen, zu bestimmen, welche optische(n) Uhr(en) in der neuen Definition der Sekunde verwendet werden sollten.“

Überblick über die Uhrenvergleichskampagne: 10 optische Uhren in sechs verschiedenen Ländern wurden 45 Tage lang verglichen. [Bild: Thomas Lindvall et al. - 10.1364/OPTICA.561754]

Vergleiche zwischen Uhren

Dies war der umfangreichste koordinierte Vergleich optischer Uhren, der jemals durchgeführt wurde. Dabei handelte es sich um Betriebsuhren und die Verbindungen, die sie gleichzeitig in sechs Ländern über Tausende von Kilometern miteinander verbinden.

Es wurden 38 Vergleiche – oder Frequenzverhältnisse – gleichzeitig mit zehn verschiedenen optischen Uhren durchgeführt. Vier dieser Vergleiche wurden zum ersten Mal direkt durchgeführt, und viele der anderen wurden mit deutlich höherer Präzision gemessen als zuvor.

Für die Messungen mussten die Forscher die Frequenzausgänge der verschiedenen Uhren miteinander verbinden. Dazu nutzten sie zwei Methoden: Radiosignale von Satelliten und Laserlicht über Glasfaserkabel. Die Satellitenmethode nutzte GPS-Signale des Navigationssystems, die allen untersuchten Uhren zur Verfügung standen. Diese Methode weist jedoch aufgrund von Messunsicherheiten, die durch Faktoren wie Signalrauschen oder Instrumentengrenzen verursacht werden, eine begrenzte Genauigkeit auf.

Glasfaserverbindungen ermöglichten Messungen mit einer 100-mal höheren Genauigkeit als Satellitentechnologie. Diese stabilen, hochpräzisen Verbindungen konnten jedoch im internationalen Vergleich nur für die Verbindung von Uhren in Frankreich, Deutschland und Italien genutzt werden. Lokale Vergleiche in Deutschland und Großbritannien – wo sich mehrere Uhren am selben Institut befanden – wurden hingegen mit kurzen Glasfasern durchgeführt, was die Unsicherheit deutlich reduzierte.

Es muss verbessert werden

Das Experiment hat einige Bereiche aufgezeigt, in denen noch Verbesserungsbedarf besteht.

Um beispielsweise sicherzustellen, dass alle Uhren wie erwartet funktionieren, müssen die Messunsicherheiten so reduziert werden, dass sie der Genauigkeit der Uhren selbst entsprechen. Wiederholte Messungen sind dann erforderlich, um die Zuverlässigkeit zu bestätigen und Vertrauen in die Uhren und die Verbindungen aufzubauen. Darüber hinaus müssen vor der Neudefinition der Sekunde weitere Kriterien erfüllt sein, darunter der Nachweis, dass optische Uhren regelmäßig und konsistent zu internationalen Zeitskalen beitragen können.

„Nicht alle Ergebnisse entsprachen unseren Erwartungen, und wir stellten einige Unstimmigkeiten in den Messungen fest“, sagte Rachel Godun vom britischen National Physical Laboratory (NPL). „Der gleichzeitige Vergleich so vieler Uhren und die Verwendung unterschiedlicher Techniken zur Verbindung erleichterten jedoch die Identifizierung der Problemursache.“

„Kurz gesagt: Die Genauigkeit der neuen optischen Uhren wird äußerst gründlich und detailliert untersucht. Doch genau das ist nötig, um die Sekunde hundertmal genauer zu definieren als heute. Wissenschaftler, die auf diesem Gebiet arbeiten, müssen selbst kleinste Ungenauigkeiten ihrer Uhren eliminieren, damit wir alle von den immensen Vorteilen profitieren können, die sich daraus ergeben. Und wenn es um achtzehn Dezimalstellen geht, gibt es keine Ausrede mehr“, fasste Professor José López-Urrutia vom Max-Planck-Institut für Kernphysik zusammen.

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