Es ist ein Meilenstein in Sachen hochpräzise Zeitmessung: Neuartige optische Quantenuhren sind nicht nur um etliche Größenordnungen genauer als herkömmliche Cäsium-Atomuhren, sie erweisen sich inzwischen auch in realen Tests als robust und zuverlässig. Das berichtet ein Forschungsteam von der australischen University of Adelaide im Fachmagazin »Nature Communications«. Das Team testete drei verschiedene Funktionsprinzipien bei Marineübungen auf See vor Hawaii und zeigte, dass die Uhren selbst dann noch einwandfrei funktionierten, wenn die Schiffe von Wellen erschüttert wurden. Laut Aussage der Wissenschaftler sind die Quanten-Zeitmesser herkömmlichen GPS-Navigationssystemen um viele Größenordnungen überlegen.

Bereits seit den 1950er Jahren sind Cäsium-Atomuhren das Maß aller zeitlichen Dinge. Auf ihnen beruht die Definition der Sekunde und damit die »Koordinierte Weltzeit« (UTC). Per Definition beträgt die Zeitdauer einer Sekunde im internationalen Einheitensystem »das 9 192 631 770-Fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids ¹³³Cs entsprechenden Strahlung«. Das bedeutet: Ein Cäsiumatom wird mit Mikrowellenstrahlung angeregt und sendet wiederum Strahlung einer ganz bestimmten Frequenz aus. Das System schwingt 9 192 631 770-mal in einer Sekunde.

Zudem sind die Satelliten des Globalen Positionsbestimmungssystems, kurz GPS, mit derartigen Atomuhren bestückt. Das System funktioniert, indem man die Zeit vergleicht, die Hochfrequenzsignale benötigen, um sich von verschiedenen Satelliten zu einem bestimmten Ort auf der Erde auszubreiten. Da Zeitfehler von nur einer millionstel Sekunde zu Positionsfehlern von Hunderten von Metern führen können, verwenden GPS-Satelliten Atomuhren. Dadurch kann man die Position mit einer Genauigkeit von bis zu 30 Metern bestimmen.

Mit der Umstellung von Mikrowellen auf optische Frequenzübergänge lässt sich die Leistung von Atomuhren jedoch erheblich steigern. Allerdings benötigen solche optischen Quantenuhren, die auf den Elementen Ytterbium oder Rubidium basieren, bislang viel Platz im Labor und sind nicht portabel, da sie extrem empfindlich auf Bewegungen und Temperaturschwankungen reagieren.

Dieses Problem hat das australische Team nun überwunden. Die verwendeten Uhren bestehen aus fest verschlossenen Kapseln, die ein Niederdruckgas aus entweder Ytterbium- oder Rubidiumatomen enthalten. Diese Kapseln werden dann mit farbigen Lasern angeregt und ausgelesen. Die so gewonnenen Informationen lassen sich verwenden, um die Wellenlänge des Lasers auf das Atom abzustimmen und den Schwingungsübergang zu stabilisieren.

»Die Uhren sind über eine Messzeit von einer Sekunde zwischen 20- und 200-mal genauer als der derzeitige internationale Standard«, wird der an den Experimenten beteiligte Physiker Ashby Hilton in einer Pressemitteilung zitiert. »Es ist das erste Mal, dass ein Ensemble optischer Quantenuhren auf See erfolgreich getestet wurde, und ist damit ein bedeutender Meilenstein für die noch genauere Zeitmessung und Navigation.«