Moderne Atomuhren laufen enorm präzise – selbst nach Hunderten von Millionen Jahren gehen sie weniger als eine Sekunde falsch. Unpraktisch ist dagegen noch ihre enorme Größe, die einen direkten Abgleich von zwei entfernten Taktgebern erschwert. Bisher löste man das Problem mithilfe von Satellitensignalen, doch für optische Atomuhren ist diese Methode zu ungenau. Eine viel versprechende Alternative bieten Glasfaserkabel, wie Katharina Predehl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und ihre Kollegen nun demonstrieren: Zwischen zwei 600 Kilometer voneinander entfernten Städten übertragen sie erfolgreich ein optisches Frequenzsignal und setzen damit einen neuen Streckenrekord.

Für ihr Experiment nutzt das Forscherteam Glasfaserleitungen zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, die neben einer unterirdischen Gaspipeline verlaufen. Übermittelt wird die optische Frequenz durch die jeweils 920 Kilometer messenden Kabel mithilfe eines Lasersignals. Damit sich die Frequenz auf der Reise nicht verschiebt, gleichen die Wissenschaftler um Predehl störende Effekte auf der Strecke aus, darunter beispielsweise Temperaturschwankungen und Vibrationen durch darüberliegende Autobahnen. Gleichzeitig erhalten neun speziell entwickelte Verstärkersysteme die Signalstärke und -kohärenz.

Tatsächlich weicht die empfangene Frequenz um weniger als 4 x 10^-19 von der abgeschickten ab, berichten die Autoren. Bei der verwendeten Frequenz von rund 200 Terahertz entspricht das nur wenigen Mikrohertz. Damit liegt die Genauigkeit um mehr als eine Größenordnung über derjenigen, die sich mit optischen Atomuhren erreichen lässt und würde somit einen exakten Abgleich ermöglichen. Die Satellitenübertragung, die für Mikrowellenatomuhren ausreichend ist, wird sogar um mehr als drei Größenordnungen übertroffen. Mit der nun aufgezeigten Methode ließen sich theoretisch also selbst die genauesten Atomuhren auf der Welt synchronisieren.

Der präzise Abgleich von Atomuhren ermöglicht es Forschern beispielsweise, grundlegende Physik wie die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenelektrodynamik zu überprüfen. Denkbar ist aber auch eine Reihe praktischer Anwendungen: So ließe sich das Gravitationspotenzial der Erde noch genauer bestimmen oder die Langbasisinterferometrie in der Radioastronomie weiter optimieren. In der Vergangenheit synchronisierten Wissenschaftler bereits optische Frequenzen per Glasfaserkabel, allerdings nur über Distanzen von rund hundert Kilometer.