International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

Dieser Beitrag berichtet über einen erfolgreichen zweimonatigen internationalen Vergleich von sieben optischen Uhren an vier europäischen metrologischen Instituten über ein Glasfasernetzwerk, der Frequenzverhältnisunsicherheiten von bis zu $7.7\times10^{-18}$ erreichte und kritische Daten für die zukünftige Neudefinition der SI-Sekunde liefert.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich vor, Sie besitzen die weltweit perfekten Uhren. Dies sind keine herkömmlichen Armbanduhren; es handelt sich um optische Uhren, die so präzise ticken, dass sie über das gesamte Alter des Universums hinweg nur eine Sekunde vor- oder nachgehen würden. Wissenschaftler haben diese unglaublichen Zeitmesser in verschiedenen Ländern gebaut, doch lange Zeit konnten sie nicht sicher sein, ob die Uhr in Italien exakt mit derselben Geschwindigkeit tickt wie die in Deutschland oder im Vereinigten Königreich.

Dieser Artikel ist wie ein Zeugnis für eine massive, zwei Monate lang dauernde „Zeitmess-Olympiade", die Anfang 2023 stattfand. Hier ist, was geschah, einfach erklärt:

Das Setup: Ein Hochgeschwindigkeits-Netzwerk für Zeitreisen

Normalerweise verwenden Wissenschaftler Satelliten (wie GPS), um zwei Uhren in verschiedenen Ländern zu vergleichen. Doch Satelliten sind ein bisschen wie der Versuch, zwei Uhren zu vergleichen, indem man über einen windigen Canyon schreit; das Signal wird ein wenig unscharf, und der Vergleich ist nicht perfekt.

Stattdessen nutzten diese Wissenschaftler ein riesiges, superstabiles Glasfasernetzwerk, das sich über Europa erstreckt. Stellen Sie sich dieses Netzwerk als eine „Super-Autobahn" für Licht vor. Sie verbanden vier große Metrologielaboratorien (in Italien, Frankreich, Deutschland und dem Vereinigten Königreich) mit diesen Kabeln. Dies ermöglichte es ihnen, das „Ticken" einer Uhr direkt zu einer anderen zu senden, ohne die Unschärfe von Satelliten.

Die Teilnehmer: Sieben verschiedene Uhren

Sieben verschiedene Uhren traten in den Wettkampf. Sie waren nicht alle auf die gleiche Weise gebaut:

• Einige verwendeten Ytterbium (ein Metall), das als einzelnes Ion gefangen war (wie eine winzige, schwebende Murmel).
• Andere verwendeten Strontium- oder Quecksilber-Atome, die in einem „Gitter" gefangen waren (wie ein Wabenmuster aus Licht).
• Sie arbeiteten mit verschiedenen Arten von „Übergängen" (Wege, auf denen Atome Energieniveaus wechseln), was wie verschiedene Uhrenmarken ist, die unterschiedliche innere Zahnräder verwenden.

Die große Leistung: Der „Zwilling"-Check

Das aufregendste Ergebnis kam vom Vergleich zweier Uhren, die unabhängig voneinander in zwei verschiedenen Ländern gebaut wurden (eine im Vereinigten Königreich, eine in Deutschland). Beide waren Ytterbium-Ionen-Uhren, die einen spezifischen, sehr komplexen Tick-Typ verwendeten (genannt „E3"-Übergang).

• Das Ergebnis: Sie stimmten perfekt überein, innerhalb eines winzigen Fehlerspielraums (weniger als 1 Teil in 100 Quadrillionen).
• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, zwei Meister-Uhrmacher in verschiedenen Städten bauen eine Uhr von Grund auf neu. Sie schicken ihre Uhren an einen neutralen Ort. Wenn sie sie vergleichen, zeigen die Zeiger exakt die gleiche Position an, bis auf einen Bruchteil der Breite eines Haares. Dies war das erste Mal, dass zwei unabhängig gebaute optische Uhren aus verschiedenen Ländern auf diesem Präzisionsniveau als übereinstimmend nachgewiesen wurden.

Die Quecksilber-Uhr: Ein neuer Champion

Die Uhr in Frankreich, die Quecksilber verwendet, war ebenfalls eine herausragende Teilnehmerin. Sie wurde mit allen anderen Uhren im Netzwerk verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Quecksilber-Uhr unglaublich stabil und zuverlässig ist und neue, hochpräzise Messungen liefert, wie ihr „Tick" mit den Ytterbium- und Strontium-Uhren verglichen wird.

Warum dies wichtig ist (laut dem Artikel)

Der Artikel erklärt, dass die Welt derzeit versucht, die Sekunde neu zu definieren. Derzeit wird die Sekunde durch Mikrowellen-Uhren definiert (der alte Standard). Wissenschaftler möchten auf diese neuen, superpräzisen optischen Uhren umsteigen.

Bevor Sie jedoch die Definition einer Sekunde ändern können, müssen Sie beweisen, dass jede optische Uhr auf der Welt darüber einig ist, was eine Sekunde ist. Wenn die Uhr in Paris sagt, eine Sekunde sei leicht anders als die Uhr in London, können Sie die Regel nicht ändern.

Dieses Experiment bewies, dass:

1. Das Netzwerk funktioniert: Die Glasfaserkabel sind so gut, dass sie den Vergleich nicht stören. Sie sind für die Messung im Wesentlichen unsichtbar.
2. Die Uhren stimmen überein: Verschiedene Arten optischer Uhren, die von verschiedenen Teams in verschiedenen Ländern gebaut wurden, zeigen alle mit unglaublicher Genauigkeit die gleiche Zeit an.

Der „Fehler" im System

Der Artikel erwähnt auch eine Uhr (eine Strontium-Uhr in Deutschland), die eine „Krankheit" hatte. Sie wurde von einem Laserproblem beeinflusst, das ihre Zeit leicht verschob. Die Wissenschaftler konnten dies nachträglich nicht beheben, daher haben sie ihre endgültigen Zahlen nicht in die Hauptergebnisse aufgenommen. Dennoch nutzten sie sie, um zu prüfen, wie stabil die anderen Uhren waren, denn selbst mit ihrer Krankheit war sie kurzfristig sehr beständig.

Das Fazit

Dieser Artikel ist eine Siegesrunde für die internationale Wissenschaft. Er zeigt, dass wir ein „Netzwerk der Zeit" über Europa gebaut haben, das so präzise ist, dass wir endlich darauf vertrauen können, dass unsere besten Uhren alle synchronisiert sind. Dies ist ein entscheidender Schritt hin zur Aktualisierung der offiziellen Definition der Zeit selbst und stellt sicher, dass die „Sekunde", die wir morgen verwenden, so perfekt ist wie die Uhren, die wir heute gebaut haben.

Technische Zusammenfassung

1. Problemstellung

Optische Uhren haben relative Frequenzunsicherheiten im Bereich von $10^{-18}$ und darunter erreicht, was sie den aktuellen SI-Sekunden-Definitionen auf Mikrowellenbasis überlegen macht. Ein kritischer Engpass bleibt jedoch bestehen: die Verifizierung der internationalen Konsistenz dieser Uhren.

• Die Herausforderung: Während Vergleiche innerhalb eines Labors Routine sind, ist der Vergleich unabhängiger optischer Uhren über Ländergrenzen hinweg schwierig. Dies erfordert zuverlässige Langstrecken-Glasfaserverbindungen, eine synchronisierte Betriebsweise mehrerer komplexer Systeme und die Koordination systematischer Unsicherheitsbudgets.
• Das Ziel: Um die Neudefinition der SI-Sekunde basierend auf optischen Übergängen zu validieren, muss die wissenschaftliche Gemeinschaft nachweisen, dass unabhängig entwickelte optische Uhren (unter Verwendung verschiedener atomarer Spezies und Technologien) über Ländergrenzen hinweg auf dem $10^{-18}$-Niveau miteinander übereinstimmen.

2. Methodik

Die Autoren führten eine zwei Monate lang dauernde internationale Uhrenvergleichskampagne (24. Februar – 1. Mai 2023) durch, an der vier Nationale Metrologieinstitute (NMIs) in Europa beteiligt waren:

• Institute: INRIM (Italien), LNE-OP (ehemals LNE-SYRTE, Frankreich), NPL (UK) und PTB (Deutschland).
• Infrastruktur: Der Vergleich nutzte das europäische phasenstabilisierte optische Glasfasernetz (REFIMEVE), das folgende Verbindungen herstellte:
  • LNE-OP zu NPL (785 km)
  • LNE-OP zu PTB (1370 km)
  • LNE-OP zu INRIM (1023 km)
• Beteiligte Uhren (insgesamt 7):
  • Frankreich (LNE-OP): $^{199}\text{Hg}$-Optisches Gitteruhr (SYRTE-Hg).
  • UK (NPL): $^{171}\text{Yb}^+$-Ionen-Uhr (E3-Übergang) und $^{87}\text{Sr}$-Optisches Gitteruhr.
  • Deutschland (PTB): Zwei $^{171}\text{Yb}^+$-Ionen-Uhren (E3- und E2-Übergänge) und eine $^{87}\text{Sr}$-Optisches Gitteruhr.
  • Italien (INRIM): $^{171}\text{Yb}$-Optisches Gitteruhr.
• Datenanalyse:
  • Frequenzverhältnisse wurden durch den Vergleich der optischen Frequenzen der Uhren über die Glasfaserverbindungen berechnet.
  • Statistische Unsicherheiten wurden unter Verwendung täglicher Bins ausgewertet und durch den Birge-Quotienten aufgeweitet, falls die tägliche Streuung die Erwartungen überstieg (was auf übermäßiges Rauschen hindeutet).
  • Systematische Unsicherheiten umfassten Beiträge aus dem Physikpaket jeder Uhr, statistisches Rauschen und Korrekturen für den relativistischen Rotverschiebungseffekt.
  • Korrelationskoeffizienten wurden für alle Messpaare berechnet, um gemeinsame systematische Fehler (z. B. gemeinsame Referenzuhren) zu berücksichtigen.

3. Hauptbeiträge

• Erste internationale Verifizierung unterhalb von $10^{-17}$: Die Kampagne erreichte den ersten internationalen Vergleich zweier unabhängig entwickelter optischer Uhren ($^{171}\text{Yb}^+$ E3) mit einer Unsicherheit unter $1 \times 10^{-17}$.
• Integration in ein groß angelegtes Netzwerk: Die erfolgreiche Koordination des gleichzeitigen Betriebs von 7 verschiedenen optischen Uhren in 4 Ländern über 65 Tage demonstrierte die Reife des europäischen Glasfasernetzes für die Metrologie.
• Neue Frequenzverhältnisse: Bereitstellung der ersten direkten internationalen Messungen von Frequenzverhältnissen, die die $^{199}\text{Hg}$-Uhr im Vergleich zu $^{171}\text{Yb}^+$- und $^{87}\text{Sr}$-Uhren betreffen.
• Datentransparenz: Veröffentlichung eines umfassenden Datensatzes einschließlich 11 Frequenzverhältnissen, Korrelationsmatrizen und Instabilitätsdaten, der als Referenz für zukünftige Bemühungen zur Neudefinition der SI-Einheiten dient.

4. Wichtige Ergebnisse

• Übereinstimmung von $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) (NPL vs. PTB):
  • Die beiden $^{171}\text{Yb}^+$-Uhren, die auf dem elektrischen Oktupolübergang (E3) betrieben wurden, stimmten innerhalb einer Unsicherheit von $7.7 \times 10^{-18}$ überein.
  • Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem vorherigen GNSS-basierten Vergleich (ROCIT 2022) dar, der eine Unsicherheit von $2.8 \times 10^{-16}$ aufwies.
  • Dieses Ergebnis bestätigt die Konsistenz unabhängig gebauter Ionen-Uhren auf dem $10^{-18}$-Niveau.
• Leistung der $^{199}\text{Hg}$-Uhr:
  • Die LNE-OP $^{199}\text{Hg}$-Uhr wurde mit $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ und $^{87}\text{Sr}$-Uhren verglichen.
  • Die Ergebnisse zeigten eine Übereinstimmung mit Referenzwerten (abgeleitet aus einer Least-Squares-Anpassung von 2021) auf dem $10^{-17}$-Niveau.
  • Die Kampagne lieferte neue, unsicherheitsärmere direkte Messungen für die Verhältnisse $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ und $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$.
• Konsistenz der $^{171}\text{Yb}$-Gitteruhr:
  • Die INRIM $^{171}\text{Yb}$-Gitteruhr stimmte mit der PTB $^{171}\text{Yb}^+$ (E3)-Uhr innerhalb von $2.2 \times 10^{-17}$ überein und bestätigte damit die Reproduzierbarkeit der Kampagne ROCIT 2022.
• Anomalien und Inkonsistenzen:
  • PTB-Sr3: Diese Uhr zeigte eine Frequenzverschiebung (wahrscheinlich bedingt durch die Uhren-Laser), die retrospektiv nicht korrigiert werden konnte. Folglich wurden ihre absoluten Frequenzverhältnisse nicht berichtet, obwohl ihre Instabilitätsdaten zur Bewertung der kurzfristigen Leistung des Netzwerks herangezogen wurden.
  • Diskrepanz $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$: Eine $4\sigma$-Diskrepanz wurde zwischen dem INRIM/NPL-$^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$-Verhältnis und früheren Messungen der BACON-Kollaboration (NIST/JILA) beobachtet, obwohl es mit RIKEN und neueren BACON-Daten übereinstimmt. Dies unterstreicht die anhaltenden Herausforderungen bei der Konsistenz von Verhältnissen verschiedener atomarer Spezies.

5. Bedeutung

• Weg zur Neudefinition der SI-Einheiten: Diese Ergebnisse sind ein entscheidender Schritt zur Neudefinition der SI-Sekunde. Sie zeigen, dass die internationale Metrologie-Gemeinschaft optische Uhren über Ländergrenzen hinweg mit Unsicherheiten nahe $10^{-18}$ zuverlässig vergleichen kann, eine Voraussetzung für die Übernahme eines optischen Übergangs als neuen Zeitstandard.
• Reife des Glasfasernetzes: Die Studie beweist, dass das europäische optische Glasfasernetz eine robuste Infrastruktur mit hoher Betriebszeit ist, die komplexe, mehrknotige Metrologiekampagnen mit vernachlässigbarer durch die Verbindung verursachter Unsicherheit unterstützen kann.
• Über die Metrologie hinaus: Die hier demonstrierte Technologie unterstützt breitere wissenschaftliche Anwendungen, einschließlich:
  • Geodäsie: Chronometrisches Nivellement zur Messung von Geopotentialunterschieden.
  • Fundamentalphysik: Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie, Suche nach Dunkler Materie und Detektion von Variationen fundamentaler Konstanten.
  • Quantenkommunikation: Ermöglichung der langstreckigen Quantenschlüsselverteilung und Frequenzverteilung zu Radioteleskopen.

Zusammenfassend stellt dieses Papier einen Meilenstein in der globalen Metrologie dar, der die Machbarkeit einer zukünftigen „optischen Sekunde" validiert, indem es nachweist, dass unabhängige optische Uhren international mit beispielloser Präzision verglichen werden können.