Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

Das Rennen um den perfekten Takt

Stellen Sie sich die Zeit als einen Fluss vor. Seit Jahrhunderten messen wir ihren Fluss mit einem einfachen, zuverlässigen, aber etwas wackeligen Floß: der Atomuhr, die auf Mikrowellensignalen basiert (wie sie etwa in Ihrem GPS verwendet werden). Diese Uhren sind gut, aber sie haben eine Grenze in dem, wie beständig sie sein können. Vor kurzem haben Wissenschaftler „optische“ Uhren gebaut, die Licht anstelle von Mikrowellen verwenden. Diese neuen Uhren sind wie Hochgeschwindigkeits-Rennboote; sie sind unglaublich schnell und präzise und ticken hunderttausende Male häufiger als die alten Modelle. Es gibt jedoch einen Haken. Um eine perfekte Zeitskala (wie die offizielle Zeit für die ganze Welt) zu behalten, benötigt man ein „Schwungrad“ – einen stetigen Motor, der das Boot gleichmäßig in Bewegung hält, selbst wenn das Steuerrad (die ultrapräzise Uhr) eine Pause macht, um aufzuladen oder zu kalibrieren.

Derzeit sind die besten Schwungräder, die wir besitzen, immer noch die alten Mikrowellen-Flöße (Wasserstoffmaser). Sie sind robust, aber sie wackeln im Kurzzeitbereich zu stark. Das bedeutet, dass man selbst bei einer superpräzisen optischen Uhr deren volle Leistung nicht voll ausschöpfen kann, weil das alte Schwungrad das gesamte System ausbremst und eine „Rauschuntergrenze“ erzeugt, die die wahre Perfektion der Uhr verbirgt. Die große Frage in der Welt der Zeitmessung lautet: Können wir ein neues Arten von Schwungrad bauen, das aus Licht selbst besteht? Wenn uns das gelingt, könnten wir eine Zeitskala erschaffen, die so beständig ist wie die besten optischen Uhren, was potenziell zu einer Neudefinition der Sekunde selbst führen würde. Dies ist die Herausforderung, die die Forscher in dieser Arbeit anzugehen versuchten.

Die all-optische Zeitmaschine

In dieser Studie beschlossen Wissenschaftler aus JILA, NIST und Vector Atomic, die alten, wackeligen Mikrowellen-Schwungräder nicht mehr zu verwenden und etwas Radikales zu versuchen: Sie bauten drei separate Zeitskalen, die vollständig auf Licht basieren. Anstatt sich auf Wasserstoffmaser zu verlassen, um die Zeit zwischen den Kontrollen aufrechtzuerhalten, verwendeten sie drei verschiedene „optische Schwungräder“: zwei superkalte Silizium-Resonatoren (denken Sie an Spiegel aus Silizium, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden, um jegliches Zittern zu stoppen) und eine kommerzielle Iod-Optik-Uhr.

Um diese lichtbasierten Motoren auf Kurs zu halten, nutzte das Team eine hochzuverlässige Strontium-Optik-Gitteruhr als „Steuerrad“. Diese Master-Uhr überprüfte die Geschwindigkeit der drei Schwungräder und nahm winzige Anpassungen vor, um sie synchron zu halten. Das Team führte dieses Experiment über 20 Tage lang durch und beobachtete, wie gut sich diese drei all-optischen Zeitskalen miteinander verglichen.

Die Ergebnisse waren ein gewaltiger Fortschritt. Als die drei Zeitskalen verglichen wurden, blieben sie unglaublich eng beieinander. Nach nur wenigen Tagen der Mittelung sank ihre relative Instabilität unter $10^{-16}$, ein Präzisionsniveau, für das ein traditionelles, auf Masern basierendes System Wochen benötigen würde. Noch beeindruckender war, dass der gesamte Zeitunterschied zwischen den drei Skalen über den gesamten Zeitraum von 20 Tagen weniger als 100 Pikosekunden betrug (das sind 0,0000000001 Sekunden). Um dies einzuordnen: Wenn Sie einen Film ansehen würden, wäre dieser Fehler so gering, dass Sie nicht einmal bemerken würden, wenn ein einzelnes Bild fehlte.

Die Forscher zeigten auch, dass sie diese lichtbasierten Signale wieder in Radiosignale (die Art, die unsere heutige Elektronik verwendet) umwandeln können, ohne an Genauigkeit zu verlieren. Sie fanden heraus, dass der Prozess der Umwandlung von Licht in Radiowellen weniger als 2 Pikosekunden an Fehler hinzufügt, was beweist, dass dieses neue System bereit ist, mit unserer bestehenden Technologie zu kommunizieren.

Das Paper weist jedoch vorsichtig darauf hin, dass dies kein Zauberstab ist, der über Nacht alles löst. Das System ist immer noch darauf angewiesen, dass die Strontium-Uhr zur Steuerung verfügbar ist. Wenn die Master-Uhr eine Pause machte (was etwa 6 Stunden lang der Fall war), driften die Zeitskalen leicht auseinander und häuften eine Differenz von etwa 20 Pikosekunden pro Lücke an. Aber selbst mit diesen Lücken war die Leistung weit überlegen im Vergleich zu dem, was mit heutiger Technologie möglich ist. Die Autoren schlagen vor, dass diese all-optischen Zeitskalen, sobald optische Schwungräder zuverlässiger werden und die Master-Uhren über längere Zeiträume laufen, die Zukunft des Zeithaltens sein könnten und schließlich die alten mikrowellenbasierten Systeme vollständig ersetzen werden.

Kurz gesagt zeigt das Paper, dass es möglich ist, eine Zeitskala zu bauen, die vollständig in der Welt des Lichts lebt und ein Maß an Stabilität bietet, das die alten Mikrowellen-Methoden einfach nicht erreichen können. Es ist ein Proof-of-Concept dafür, dass die Zukunft der Zeitmessung vielleicht schon etwas heller leuchtet, als wir dachten.