Die wahre Weltuhr

  • 16. June 2014

Quantenmechanisch gekoppelte Atomuhren könnten bisher genaueste Zeitpulse liefern.

Weltweit arbeiten mehrere physikalische Institute an immer genauer tickenden Atomuhren. Statt neue taktgebende, elektronische Übergänge für einzelne Uhren zu optimieren, schlägt nun ein dänisch-amerikanisches Forscherteam ein globales Netzwerk quantenmechanisch gekoppelter Atomuhren vor. Dieses könnte über den Austausch von Quanteninformation einen genaueren Takt vorgeben als jede einzelne Atomuhr für sich. Nicht nur eine genauere Ortung über satellitengestützte Positionsnetzwerke sei damit erreichbar. Eine weltweit extrem genaue Uhr könnte für Messungen von Gravitationswellen ebenso genutzt werden wie für einen besser synchronisierten Handel an den Börsen in New York, Frankfurt oder Tokio.

Konzeptionelle Darstellung des satellitengestützten Quantennetzwerks von Atomuhren

Abb.: Konzeptionelle Darstellung des satellitengestützten Quantennetzwerks von Atomuhren (Bild: P. Kómár et al.)

„Ohne Zweifel ist dies ein sehr futuristischer Vorschlag“, sagt Eric Kessler von der Harvard University in Cambridge gegenüber der Online-Redaktion des Fachjournals „Nature“. Doch mit dem Blick auf die großen Fortschritte sowohl bei der Entwicklung von Atomuhren als auch bei der quantenmechanischen Kopplung von mehreren Ionen sei eine Umsetzung durchaus vorstellbar. Konkret schlägt Kessler zusammen mit Kollegen vom National Institute of Standards (NIST) in Boulder und dem Niels Bohr Institut in Kopenhagen ein Netzwerk von je einer Atomuhr an Bord von zehn Satelliten vor. Ein Teil der für den Takt genutzten Ionen könnten zwischen den Satelliten quantenmechanisch miteinander verschränkt werden.

Der Vorteil dieser Verschränkung, bei der Messungen an einem Ion instantan ohne Zeitverlust den Zustand eines weiteren, verschränkten Ions festlegen, liege nach Aussage der Forscher in der Reduktion eines störenden Messrauschens. So könnte der Verbund der Atomuhren insgesamt einen genaueren Zeittakt angeben als jede Uhr für sich allein. Die theoretischen Abschätzungen des „Weltuhr“-Teams ergaben, dass eine Atomuhr auf der Basis von Aluminium-Ionen, die einzeln eine Ganggenauigkeit von etwa fast 10-15 über die Mittelung der Takte während einer Sekunde liefern, im Verbund auf etwa 4 × 10-17 pro Sekunde Genauigkeit verbessert werden könnte. Mit anderen Atomuhren, die sich derzeit in Entwicklung befinden, seien sogar höhere Frequenzungenauigkeiten möglich.

Dieses Zeitsignal stünde über Datenverbindungen zwischen Satelliten und erdgestützten Stationen rund um den Globus zur Verfügung. Gegen Abhörattacken wäre dieses Signal gerade wegen der Verschränkung der Ionen ebenfalls geschützt. Wie herkömmliche Versuche im Bereich der Quantenkryptografie mit verschränkten Ionen schon belegten, bliebe kein Abhörversuch wegen der damit einhergehenden Zerstörung einer Verschränkung unerkannt. Die schlimmste Folge einer solchen Attacke wäre der Zusammenbruch des Atomuhr-Netzwerks, so dass jede Uhr für sich allein wieder ein etwas ungenaueres Zeitsignal zur Verfügung stellen müsste.

Eine erfolgreiche Umsetzung dieses „Weltuhr“-Konzeptes liegt allerdings noch weit in der Zukunft. Zwar gelang es bereits, bis zu 14 einzelne Ionen miteinander im Labor zu verschränken. Doch diese quantenmechanische Kopplung über einen Laser gestützten Kanal und über viele tausende Kilometer müsste erst im Experiment glücken. Wichtige Erfahrungen auf diesem langen Weg konnten jedoch über die Verschränkung von Photonen-Zuständen über 143 Kilometer zwischen den Inseln Teneriffa und La Palma schon gewonnen werden.

Jan Oliver Löfken

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