Atomuhr: Zeitmessung mit verschränkten Atomen

Atome im Gleichtakt: Forscher haben eine optische Atomuhr entwickelt, die die Zeitmessung noch präziser machen kann. Denn statt einer Wolke ungeordneter Atome nutzt sie Ytterbium-Atome, die quantenphysikalisch miteinander verschränkt sind. Dadurch wird das Störrauschen bei der Frequenzmessung reduziert und die resultierende Atomuhr würde in 13,8 Milliarden Jahren nur rund 100 Millisekunden falschgehen.

Seit 53 Jahren geben Atomuhren den Takt unserer Zeit vor. Sie nutzen die Schwingungen ultrakalter Atome und deren Wechsel zwischen Energiezuständen, um die Länge einer Sekunde festzulegen. Neben den klassischen Cäsium-Atomuhren sind inzwischen auch optische Atomuhren im Einsatz. Sie nutzen ultrakalte, in einem optischen Lasergitter gehaltene Strontium– oder Ytterbium-Atome als Taktgeber – und sind präzise genug, um beispielsweise die schwerkraftbedingte Zeitdehnung zu messen.

„Chaotische“ Atome limitieren Präzision

Allerdings ist auch die Präzision der optischen Atomuhren begrenzt: Ihre Messatome gehorchen den Gesetzen der Quantenphysik und zeigen damit das Phänomen der Überlagerung: Ein Teil dieser Atome ist in zwei Energiezuständen gleichzeitig und „klappt“ erst bei Messung spontan in einen von beiden um. Dies führt zu Quantenfluktuationen, die die genaue Messung der Schwingungsfrequenz erschweren.

Hinzu kommt, dass Atomuhren ihre größte Genauigkeit erst erreichen, wenn ihr „Ticken“ über einen gewissen Zeitraum hinweg gemessen wird. „Man kann die Uhr präziser machen, indem man länger misst“, erklärt Seniorautor Vladan Vuletic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Manche Phänomene müssen jedoch innerhalb kurzer Zeit gemessen werden.“ Dafür ist dann eine Atomuhr nötig, die schon in kurzen Intervallen verlässlich „tickt“.

Schwebende Atome mit Licht verkoppelt

Eine Lösung dafür könnten nun Vuletic und sein Team gefunden haben – in der quantenphysikalischen Verschränkung. Sie verkoppeln die Messatome ihrer Uhr so, dass diese weniger chaotisch fluktuieren und dadurch besser im Gleichtakt schwingen. Konkret nutzten die Forscher rund 350 ultrakalte Ytterbium-Atome, die sie in einem Lasergitter in der Schwebe hielten.

Um die Ytterbium-Atome miteinander zu verschränken, setzen die Wissenschaftler einen weiteren Laser ein, dessen Licht zwischen zwei Spiegeln hin- und hergeworfen wurde und dabei mit den Atomen interagierte. „Dieses Licht dient quasi als Kommunikationsverbindung zwischen den Atomen: Das erste Atom verändert den Lichtstrahl leicht, das wiederum modifiziert das zweite Atom und der davon ausgehende Strahl beeinflusst wiederum das dritte Atom und so weiter“, erklärt Vuletics Kollege Chi Shu.

Über mehrere Zyklen hinweg führt dies dazu, dass die Atome miteinander verschränkt werden – sie reagieren nun quasi gleichgeschaltet.

Präziser und schneller

Testmessungen belegen, dass diese verschränkte Atomwolke eine präzisere und schnellere Zeitmessung erlaubt als herkömmliche Atomuhren mit chaotischen Atomwolken. Würde man eine normale optische Atomuhr über knapp 14 Milliarden Jahre laufen lassen, würde sie eine halbe Sekunde falschgehen. Die Ytterbium-Uhr mit den verschränkten Atomen läge dagegen weniger als 100 Millisekunden daneben.

Ein weiterer Vorteil: „Durch die Verschränkung optimierte optische Atomuhren können innerhalb einer Sekunde eine höhere Präzision erreichen als die aktuellen optischen Uhren“, sagt Erstautor Edwin Pedrozo-Penafiel vom MIT. Sie erreichen ihre optimale Genauigkeit viermal schneller als Atomuhren ohne verschränkte Atome. Im Testsystem blieb die Verschränkung der Ytterbium-Atome zwar noch nicht lange genug stabil, um eine ganze Sekunde lang zu messen. Die Forscher sind aber zuversichtlich, dass sich dies durch Verbesserung der Apparaturen erreichen lässt.

Gravitationswellen, Dunkle Materie und die Zeit selbst

Sollten dies gelingen, könnten optische Atomuhren mit verschränkten Atomen der Forschung ganz neue Möglichkeiten eröffnen. So könnten sie eingesetzt werden, um Phänomene wie Gravitationswellen noch besser zu detektieren oder sogar die Eigenschaften die Dunklen Materie zu ergründen. Sogar dem Wesen der Zeit selbst könnte man versuchen auf die Spur zu kommen.

Einige seit langem diskutierte Fragen wären dann vielleicht beantwortbar: „Verändert sich die Lichtgeschwindigkeit, während das Universum altert? Oder verändert sich die Ladung des Elektrons? All dies könnte man mit noch genaueren Atomuhren erforschen“, erklärt Vuletic. (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-3006-1)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology