Zeitsignale : Mutwilliger Crash im Glasfaserkabel

Physiker lassen Lichtwellen kollidieren, um präzise Zeitsignale über weite Strecken zu transportieren.

Christian Meier
Datenleitung. Glasfaserkabel übertragen Informationen per Lichtsignal.
Datenleitung. Glasfaserkabel übertragen Informationen per Lichtsignal.Foto: picture-alliance/ dpa

Wer sich von einem Funkwecker wecken lässt, kommt sicher pünktlich zur Arbeit. Denn die Uhr empfängt ein Zeitsignal, das mit einer Atomuhr an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig erzeugt wird. Die Forscher dort geben sich aber längst nicht mehr mit der Präzision dieser Atomuhr zufrieden. Sie bauen neue Atomuhren, mit einer schier unfassbaren Genauigkeit: Hätte man eine solche Uhr im Moment des Urknalls gestellt, würde sie heute, nach über 13 Milliarden Jahren, weniger als eine Sekunde falsch gehen.

Die neuen Atomuhren teilen ihrer Umgebung die Zeit mit, indem sie einen Lichtstrahl von besonderer Qualität aussenden, daher nennen Experten sie „optische Atomuhren“. Bei dem Strahl handelt es sich um eine Lichtwelle, deren Frequenz sehr stabil ist. In jeder Sekunde vollzieht sie exakt die gleiche Anzahl von Schwingungen. In Zahlen: etwa 200 Millionen mal eine Million. Er teilt die Zeit somit in sehr feine Einheiten auf.

Dieser Lichtstrahl ist somit gewissermaßen ein präziser Messschieber zur Messung der Zeit, wo vorher nur ein grober Zollstock verfügbar war. Forscher in aller Welt interessieren sich für die Signale optischer Atomuhren. Mit ihnen sollen beispielsweise Radioteleskope synchronisiert werden, so wie das heute für Bahnhofsuhren mithilfe von Atomuhren getan wird – nur viel genauer. Dann könnten die Wissenschaftler die Radiowellen, die sie aus den Tiefen des Alls erhalten, in den gleichen Zeitrahmen einordnen. Dadurch würden viele über einen ganzen Kontinent verteilte Teleskope quasi zu einem Riesenteleskop zusammengeschaltet, das Details im All erkennen kann, die einem Einzelteleskop verborgen bleiben.

Außerdem könnte die präzise Zeitmessung helfen, das Relief der Erdoberfläche sehr genau zu vermessen. Denn laut Einsteins Relativitätstheorie laufen Uhren umso schneller, je höher sie liegen. Mithilfe optischer Atomuhren lassen sich so Höhenunterschiede von weniger als einem Meter bestimmen.

Bislang lassen sich die Vorzüge von optischen Atomuhren nur begrenzt nutzen, weil die Geräte in Labors wie dem der PTB isoliert sind. Um die präzise Frequenz zum Nutzer zu bringen, müsste der Lichtstrahl per Glasfaser transportiert werden. Doch das existierende Glasfasernetzwerk, mit dem Internetnutzer ihre Informationen austauschen, ist nicht auf das Übermitteln eines hochpräzisen Lichtsignals ausgelegt. Die Lichtstrahlen müssen ungefähr alle 100 Kilometer verstärkt werden, weil sonst kaum Licht am anderen Ende ankommen würde.

„Die Verstärker funktionieren allerdings nicht optimal, wenn eine einzelne Lichtfrequenz ankommt, statt wie bei der herkömmlichen Datenübermittlung ein Gemisch vieler Frequenzen“, sagt Gesine Grosche von der PTB. Außerdem sei jede einzelne Station anfällig für Fehler, die in ihrer Summe die Präzision des Lichtsignals zerstören würden.

Die PTB-Forscherin und ihre Kollegen Harald Schnatz und Osama Terra haben daher eine neue Technik entwickelt, die ein präzises Frequenzsignal verstärken kann und gleichzeitig deutlich weniger Verstärkerstationen benötigt. Damit haben sie das Signal einer optische Atomuhr über eine Distanz von 500 Kilometern übertragen und dafür nur eine einzige Verstärkerstation benötigt. Die Technik setzen sie nun bei einer Glasfaserverbindung zum Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ein.

Sie funktioniert auf verblüffende Weise: Dem eigentlichen Lichtsignal senden die Forscher ein zweites Lichtsignal, sogenanntes Pumplicht, entgegen. Dort wo die Wellen aufeinandertreffen, entstehen Schallwellen in der Glasfaser. Diese Schallwellen reflektieren das Pumplicht und wandeln dabei seine Energie in das ursprüngliche Lichtsignal um, das somit verstärkt wird.

„Wir wollen jetzt eine solche Leitung zu unserem französischen Partnerinstitut in Paris bauen“, sagt Grosche. „Dann können wir unsere optischen Atomuhren miteinander vergleichen“, sagt die Physikerin. Außerdem könne dann das Institut in Paris die Braunschweiger Uhr für Präzisionsexperimente in der Atomphysik nutzen und umgekehrt – eine Art Fernmessung. „So als ob unser Gerät in Paris stünde oder das Pariser in Braunschweig“, sagt Grosche.

Das wäre ein erster Schritt hin zu einer Art Forschungsinternet, bei dem nicht nur pure Information übermittelt wird, sondern die Fähigkeiten von Forschungsinstrumenten.Christian Meier

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