Physiker vom MIT haben eine Technik vorgestellt, die den Einfluss des Quantenrauschens in optischen Atomuhren halbiert und damit ihre Empfindlichkeit gegenüber den „Ticks“ von Ytterbium-Atomen praktisch verdoppelt. Es handelt es sich um eine Methode namens global phase spectroscopy (Globale-Phasen-Spektroskopie), die zum ersten Mal die globale Phase ausnutzt, die durch Laserlicht auf verschränkten Atomen induziert wird – eine Größe, die viele für nebensächlich hielten –, um den lokalen Oszillator zu stabilisieren und ein weitaus saubereres Messsignal zu erzeugen. Die Arbeit wurde am 8. Oktober 2025 veröffentlicht und baut auf früheren Demonstrationen der Verschränkung und der „Zeitumkehr“ (time reversal) in Atomuhren auf, diesmal jedoch bei einer optischen und nicht bei einer Mikrowellenfrequenz.
Warum das Quantenrauschen der größte Feind der perfekten Zeit ist
In einer idealen Welt ist ein Atom ein perfekter Oszillator: Sein Übergang zwischen zwei Energiezuständen „tickt“ mit einer Frequenz, die selbst unter dem Druck von Jahrtausenden nicht nachlässt. In der Praxis ist die Messung dieser Ticks durch die Standardquantengrenze (SQL) begrenzt – stochastische Fluktuationen in der Zustandsprojektion jedes einzelnen Teilchens, die in der Summe ein messbares Rauschen ergeben. In optischen Gitteruhren mit 171Yb, bei denen das System Hunderttausende von Atomen zählt, nimmt die SQL langsamer ab als erwünscht, da eine Erhöhung der Atomzahl auch neue systematische Dichteverschiebungen mit sich bringt. Aus diesem Grund sind Techniken, die das Projektionsrauschen unterdrücken – wie Quantenverschränkung und Spin-Quetschung – im Wettlauf um bessere Uhren entscheidend geworden.
Von Cäsium zu Ytterbium: ein Sprung von Mikrowellen zur Optik
Während der heutige internationale Zeitstandard immer noch auf Cäsium und Mikrowellenübergängen beruht, arbeitet die neue Generation von Uhren mit Atomen, die bis zu 100 Billionen Mal pro Sekunde schwingen. Ytterbium ist dabei ein Favorit: Seine optische Übergangsfrequenz ermöglicht eine zeitliche Auflösung, die um Größenordnungen feiner ist als die von Mikrowellen, während der Gittereinschluss die Atome „an Ort und Stelle“ hält und so den Doppler-Effekt reduziert. Die Ytterbium-Uhren des NIST haben bereits eine Stabilität und eine gesamte fraktionierte Unsicherheit in der Größenordnung von 10−18 gezeigt, und die Reproduzierbarkeit zwischen zwei unabhängigen Uhren übertrifft das, was bis vor kurzem als die Grenze der Labormesstechnik galt.
Eine neue Idee: Quantenverstärkte globale Phase
Die zentrale Entdeckung des MIT-Teams ist, dass die Wechselwirkung eines Laserfeldes mit verschränkten Atomen eine globale Phasenspur hinterlässt, selbst wenn das System in seinen anfänglichen Energiezustand zurückkehrt. Dieser „Gedächtnis“-Abdruck ist kein bedeutungsoser Nebeneffekt, sondern ein Träger von Informationen über die Verstimmung (Detuning) – die Differenz zwischen der Frequenz des Lasers und der atomaren Übergangsfrequenz. Durch Messung und quantenmechanische Verstärkung dieser globalen Phase ist es möglich, das Quantenrauschen aus der kritischen Messung zu verdrängen und die Uhr dadurch empfindlicher für winzige Frequenzunterschiede zu machen. Im Artikel wird ein direkt gemessener metrologischer Gewinn von mehreren Dezibel über der SQL sowie eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber dem Laser-Rauschen berichtet, was praktisch eine doppelt so feine Auflösung der „Ticks“ unter denselben Zeitbedingungen bedeutet.
Vom Labor zum Feld: Warum ein stabiler Laser entscheidend ist
Unabhängig von der Qualität der atomaren „Referenz“ sind optische Uhren in der Praxis durch die Stabilität des lokalen Oszillators begrenzt – eines ultrastabilen Lasers, der den Übergang abfragt. Wenn der Laser „atmet“, werden alle Vorteile eines Hochfrequenzstandards zunichtegemacht. Genau aus diesem Grund stellt die neue Technik, die aus der Wechselwirkung von Atomen und Licht zusätzliche Informationen zur Korrektur des Lasers gewinnt, einen doppelten Gewinn dar: Die Uhr schützt sich gleichzeitig vor Quantenrauschen und lernt, ihr „Herz“ ruhiger schlagen zu lassen.
Eine kurze Geschichte der Idee: von der Verschränkung zu „Time Reversal“-Protokollen
Das MIT-Team demonstrierte bereits 2020–2022, dass die Verschränkung großer Atomensembles die Messunsicherheiten so umverteilt, dass die Uhr den durchschnittlichen Tick besser „sehen“ kann. Anschließend führten sie den Time Reversal-Ansatz ein: Nach der Erzeugung komplexer verschränkter Zustände wird die Entwicklung auf eine bestimmte Weise „zurückgespult“, um das nützliche Signal in der Zwischenzeit zu verstärken und zuverlässiger auszulesen. All dies wurde zunächst bei niedrigeren (Mikrowellen-)Frequenzen gezeigt, und die heutige Arbeit ist der erste Schritt, der dieselben Prinzipien mit messbarem Gewinn auf den optischen Übergang von Ytterbium überträgt.
Wie das Experiment aussieht: Hohlraum-QED, Gitter und „Rückkopplungs“-Laser
Ein Ensemble von Ytterbium-Atomen wird auf Mikrokelvin-Temperaturen abgekühlt und in einem optischen Gitter gefangen, sodass alle Atome dasselbe Laserfeld „sehen“. Das System befindet sich in einem optischen Resonator (zwei gekrümmte Spiegel), wo die Sonde mehrfach reflektiert wird, was eine starke kollektive Kopplung von Licht und Materie bewirkt. Im Regime der quantenmechanischen nicht-destruktiven Messung ermöglicht der Resonator, aus der globalen Phase (die nach Anregung und Rückkehr in den Ausgangszustand entsteht) Informationen über die Verstimmung zu extrahieren. Diese Information gibt die Uhr über eine Rückkopplungsschleife an ihren eigenen Laser zurück, wodurch der Oszillator praktisch mit den Atomen „synchronisiert“ wird.
Wie viel ist „doppelt so gut“ bei echten Uhren
„Doppelt so präzise“ im Kontext einer optischen Uhr bedeutet, dass das System einen doppelt so kleinen Frequenzunterschied in derselben Integrationszeit unterscheiden kann. Wenn beispielsweise die Standardabweichung der fraktionierten Instabilität 1×10−16 bei 1 Sekunde betrug, kann der Übergang zur globalen Phase und Quantenverstärkung diese Zahl bei gleicher Atomzahl und gleicher Abfragelänge auf etwa 7×10−17 reduzieren. Bei Integrationen von einer Minute bis zu einer Stunde führt die Verbesserung zu einem schnelleren Erreichen des 10−18-Bereichs, was die Tür zu neuen Anwendungen öffnet, bei denen die Zeit zum Ersatz für einen Höhenmesser, einen Seismographen oder einen Detektor für dunkle Materie wird.
Transportable optische Uhren: Ein Schritt näher an die reale Welt
Im vergangenen Jahr wurde demonstriert, dass eine optische Ytterbium-Uhr verpackt, per kommerziellem Versand über eine Entfernung von etwa 3.000 km verschickt und an einem anderen Ort als unabhängiger Frequenzstandard wieder in Betrieb genommen werden kann. Obwohl es sich um ein System handelt, das immer noch strenge Bedingungen erfordert, ist dies ein klares Signal, dass optische Uhren aus den sauberen Laboratorien herauskommen und in den Bereich der Vergleiche „im Feld“ eintreten. Die neue MIT-Methode adressiert direkt das größte Problem dieser Plattformen – die Stabilität des Oszillators nach dem Transport und unter wechselnden Bedingungen –, wodurch sich der Horizont der Anwendungen von der Metrologie bis zur Geowissenschaft und Sicherheit erweitert.
Geodäsie und das „Uhren-Altimeter“
Optische Uhren sind so empfindlich, dass sie den Unterschied im Gravitationspotential zwischen zwei Orten bemerken, die nur wenige Zentimeter Höhenunterschied aufweisen. Das bedeutet, dass sie als gravimetrische Sensoren und „Altimeter“ der neuen Generation dienen können, die nützlich sind für die Überwachung von Wasserressourcen, Bodenhebungen, vulkanischer Aktivität und Schweranomalien, die Erdbeben vorausgehen. Jüngste Laborexperimente mit Miniaturuhren und differentiellen Vergleichen haben bestätigt, dass die gravitative Rotverschiebung auf kleinen Skalen unter realitätsnahen Bedingungen gemessen werden kann, was einen direkten Weg zu Uhren an geodätischen Punkten, Wasserkraftwerken oder geologischen Verwerfungen eröffnet.
Astrophysik und Grundlagenphysik: Dunkle Materie, Dunkle Energie und Symmetrien
Die Stabilität und Genauigkeit optischer Uhren machen sie zu hervorragenden Instrumenten zur Überprüfung fundamentaler Theorien. Eine ausreichend lange und präzise Aufzeichnung von Frequenzdriften zweier Uhren unterschiedlicher Elemente kann beispielsweise nach Variationen fundamentaler Konstanten oder dem Durchgang eines kompakten Objekts aus dunkler Materie durch das Sonnensystem suchen. In Zukunft könnten Uhren im Weltraum – auf Satelliten mit guten optischen Verbindungen zum Boden – gleichzeitig die allgemeine Relativitätstheorie testen und eine globale Zeit- und Höhenreferenz bereitstellen, eine völlig neue Infrastruktur für Wissenschaft und Industrie.
Was diese Technik für die Industrie und den Alltag bedeutet
Präzisere Zeit bedeutet zuverlässigere Finanztransaktionen und Synchronisation von Rechenzentren, feinere Zeitstempel in der Telekommunikation, weniger Fehler in Navigationssystemen und effizientere Funknetze. Für globale GNSS-Systeme reduzieren stabilere Referenzoszillatoren die Fehler bei der Positionsbestimmung, und in 5G/6G-Netzen erhöht eine strengere Phasensynchronisation die Bandbreite und verringert die Latenz. In der Energiewirtschaft verbessert präzise Zeit die synchrone Stabilität von Netzen und erleichtert die Integration dezentraler Quellen. All dies sind Bereiche, in denen eine transportable optische Uhr, die „vor Ort gebracht“ werden kann, die Spielregeln ändert.
Vergleich mit anderen Ansätzen und was noch gelöst werden muss
Andere Forschungsteams haben Spin-Quetschung, quantenmechanische nicht-destruktive Messungen und direkte Vergleiche zweier „verschränkter“ Uhrenensembles als Wege zur Überwindung der SQL demonstriert. Parallel dazu werden auch ingenieurtechnische Techniken entwickelt: bessere Vakuumkammern, passive/aktive Schwingungsdämpfung für ultrastabile Resonatoren und Lasertopologien, die angeregte Moden und thermische Verschiebungen reduzieren. Die global phase spectroscopy des MIT fügt sich als eine Lösung in dieses Bild ein, die Informationen „einfängt“, die wir bisher verworfen haben – sie erhöht den Gewinn aus bereits vorhandenen Komponenten, ohne die Anordnung zwangsläufig zu verkomplizieren. Die verbleibenden Herausforderungen umfassen die Skalierung ohne unerwünschte dichteabhängige Wechselwirkungen, die Robustheit von Rückkopplungsschleifen im Feld und die Interoperabilität mit Frequenzkämmen zur Zeitverteilung.
Wem diese Innovation heute am meisten nützt
Für metrologische Institute und Labore, die bereits optische Gitteruhren mit Yb oder Sr besitzen, kann die neue Methode als Upgrade des Messschemas und der Stabilisierungslogik implementiert werden – mit minimalen Änderungen am Atompaket. Für geodätische und geophysikalische Teams, die sich im Übergang von „tragbaren“ Mikrowellenstandards zu optischen befinden, ist die zusätzliche Stabilität des lokalen Oszillators für den Betrieb außerhalb kontrollierter Kammern entscheidend. Für die Industrie der optischen Kommunikation und Zeitsynchronisation bedeuten verbesserte Oszillatoren eine solidere Referenz für Glasfasernetze und eine schnellere Einrastung auf einen Frequenzstandard.
Schlüsselzahlen und was sie für die Praxis bedeuten
- 2× höhere Auflösung – die Uhr unterscheidet doppelt so kleine Frequenzverschiebungen in derselben Integrationszeit; umgerechnet sind das mehrere Dezibel metrologischer Gewinn über der SQL, zusammen mit einer besseren Widerstandsfähigkeit gegen Laser-Rauschen.
- 10−18-Bereich – heutige Yb-Gitteruhren erreichen bereits gesamte fraktionierte Unsicherheiten in der Größenordnung von 10−18, und ein schnelleres Erreichen dieses Bereichs bedeutet praktische Feldkampagnen in Tagen statt Wochen.
- 3.000 km Feldtransport – der kommerzielle Versand einer transportablen Yb-Uhr und ihre Wiederinbetriebnahme an einem neuen Standort wurde demonstriert, was die logistische Machbarkeit bestätigt.
Wie man zur Anwendung kommt: das notwendige Ökosystem
Eine tragbare optische Uhr ist nicht nur ein Atompaket und ein Laser. Benötigt werden flexible Frequenzkämme, stoßfeste optische Referenzhohlräume, stabile optomechanische Plattformen und eine zuverlässige optische oder mikrowellengestützte Signalverteilung. Eine erfolgreiche Feldkampagne hängt auch von einem Netzwerk des Vertrauens ab: Vereinbarungen zum Vergleich mit anderen Instituten, Infrastruktur für optische Verbindungen und Software, die die Stabilität in Echtzeit analysiert und die Daten mit geophysikalischen Messungen koppelt. Die neue Stabilisierungstechnik über die globale Phase fügt sich hier als „Klebstoff“ ein, der alle Subsysteme in Phasenkohärenz hält.
Das Gesamtbild: von Uhren zu neuen Standards
Während die Gemeinschaft einen Konsens darüber erzielt, dass es an der Zeit ist, die Sekunde auf der Grundlage eines optischen Standards neu zu definieren, werden Technologien, die den Weg zu geringen Unsicherheiten unter realen Bedingungen beschleunigen, strategisch wichtig. Stabilere und empfindlichere Uhren sind kein Selbstzweck: Sie sind eine grundlegende Ressource für Quantensensoren, Netzwerke und Kommunikation sowie ein Testfeld, auf dem die Physik jenseits der Reichweite heutiger Beschleuniger und Teleskope untersucht wird. In diesem Sinne ist die Nutzung der globalen Phase nicht nur eine clevere Idee, sondern auch ein Beispiel dafür, wie „unsichtbare“ Quantengrößen zur Messwährung zukünftiger Technologien werden können.
Zusätzliche Ressourcen für Leser, die tiefer einsteigen möchten
Für einen Überblick über den Stand der Yb-Gitteruhren und ihre Rekorde in Stabilität und Unsicherheit lohnt es sich, die zusammenfassenden technischen Seiten der nationalen metrologischen Institute zu studieren. Zum Verständnis der Quantentechniken zur Überwindung der SQL sind Übersichtsartikel über Verschränkung und Time Reversal-Protokolle nützlich. Für Anwendungen in der Geodäsie und bei fundamentalen Tests – von Labormessungen der gravitativen Rotverschiebung bis hin zu Konzepten von Uhren im Weltraum – sind umfangreiche Übersichten und Weißbücher mit Darstellungen der experimentellen und technischen Anforderungen verfügbar.
Weiterführende Lektüre und nützliche Links