Atomuhren sind ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie Quantentechnologie unseren Alltag beeinflusst: Ohne sie gäbe es keine globalen Satelliten-Navigationssysteme, sie werden verwendet, um digitale Datenübertragung zu synchronisieren und sie sind ein wichtiges Werkzeug für die Grundlagenforschung.

Nun soll in Österreich eine neue Atomuhr mit extrem hoher Präzision aufgebaut werden – von der TU Wien und dem Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV). Damit wird die Präzision der in Österreich verfügbaren Zeitmessungs-Technologie mit einem Schlag um einen Faktor 100 verbessert.

Möglich wurde dieses Projekt durch eine Förderung des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung und der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG: Im Rahmen der Förderinitiative „Quantum Austria“ erhielten zwölf Projekte eine Förderzusage. Die neue Hochleistungs-Atomuhr wird mit 3,2 Millionen Euro unterstützt.

Eine Frage der Frequenz

Nicht alle Atomuhren sind gleich präzise: „Ältere Modelle arbeiten noch mit Mikrowellen, im Bereich von 1 bis 10 Gigahertz“, sagt Prof. Thorsten Schumm von der TU Wien, der das neue Projekt leitet. Die Sekunde ist heute offiziell über die Strahlung eines Energie-Übergangs im Cäsium-Atom definiert – diese Strahlung hat eine Frequenz von etwas über 9 Gigahertz.

Es geht aber noch viel besser: „Sogenannte optische Atomuhren arbeiten bei Frequenzen von 100 bis 1000 Terahertz – im Bereich des sichtbaren Lichts“, erklärt Thorsten Schumm. „Sie sind viel präziser, doch in Österreich steht eine solche Atomuhr auf Weltklasseniveau derzeit nicht zur Verfügung.“

Das wird sich nun ändern: Die neue präziseste Uhr Österreichs wird eine Ytterbium-Uhr sein. Sie soll eine Präzision von rund 2 x10^(-17) erreichen – das entspricht etwa der Genauigkeit einer Uhr, die seit der Entstehung des Universums tickt und heute immer noch erst einen Fehler von weniger als zwei Sekunden aufweist.

Völlig neue Experimente

„Die neue Uhr wird die in Österreich verfügbare Genauigkeit von Zeitmessungen verhundertfachen, und das hat eine große Bedeutung für viele verschiedene Forschungsbereiche“, sagt Thorsten Schumm.

So kann man etwa Präzisionsmessungen durchführen, um das Zusammenspiel von Quantenphysik und Gravitation besser zu verstehen. Man kann mit einem derart hochpräzisen Taktgeber Laserstrahlen besser stabilisieren, die man etwa für die Quantenkommunikation benötigt. Selbst die fundamentalen Konstanten der Natur lassen sich so präziser messen als bisher.

Signale über Glasfaserkabel mit anderen teilen

Entscheidend für den Nutzen des Projekts ist, dass man die Signale der neuen Atomuhr per Glasfaserkabel an verschiedene Forschungsgruppen weiterleiten kann. „Die Glasfaser-Verbindungen gibt es bereits, mehrere wichtige Knotenpunkte sind bereits voll funktionsfähig“, sagt Thorsten Schumm. So ist sichergestellt, dass nicht nur die TU Wien sondern auch andere österreichische Forschungseinrichtungen die extreme Präzision der neuen Atomuhr nutzen können. Im November wird mit dem Aufbau der Atomuhr begonnen, 2024 soll der Testbetrieb starten, nach drei Jahren soll das Gerät im Regelbetrieb mit maximaler Präzision verwendet werden können.

Text: Florian Aigner