Forschung: Präzisionszeitmessung an der Quantengrenze
Im vergangenen Jahr sind Forscher des National Institute of Standards and Technology (Nist) zu dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii aufgebrochen und haben einen Laser auf einen Reflektor auf dem Gipfel des Haleakala auf Maui gerichtet. Dabei strahlten sie schnelle Laserlichtpulse durch turbulente Luft – und das auf einer Strecke von 150 Kilometern. Nun veröffentlichte das Team seine Forschungsergebnisse im Fachmagazin Nature(öffnet im neuen Fenster) .
Die Pulse waren zwar äußerst schwach, aber sie demonstrierten eine Fähigkeit, nach der Physiker seit Langem suchen: die Übertragung extrem präziser Zeitsignale durch die Luft zwischen weit entfernten Orten. Und das mit Leistungen zur schnellen Datenübertragung, die mit zukünftigen weltraumgestützten Missionen kompatibel sind.
Wenn es ihnen in Zukunft gelingt, diese Technologie auf Satelliten in 36.000 Kilometern Entfernung anzuwenden, würde dies Zeitsynchronisation mit einer Genauigkeit von Femtosekunden ermöglichen. Das wäre 10.000-mal besser als die derzeitigen modernen Satellitenansätze. Mit dieser Methode wäre das System zudem sehr robust gegenüber atmosphärischen Störungen.
Signal erst ins All, dann zurück – und doch präziser als die Alternativen
Moderne optische Atomuhren sind außerordentlich präzise. Jedoch benötigen Uhren, die durch Kontinente voneinander getrennt sind, eine Signalisierungsmethode, die diese Präzision über große Entfernungen hinweg vermitteln kann. Die derzeitigen mikrowellenbasierten Methoden bieten nicht die erforderliche Genauigkeit. Der neue Ansatz könnte es ermöglichen, optische Uhren auf gegenüberliegenden Orten der Erde über einen geosynchronen Satelliten ohne solche Nachteile miteinander zu verbinden.
"Wir stellen uns vor, mit diesen Sensorarrays den Weltraum von oben und die Erde von unten zu betrachten. Die Implementierung dieser Arrays hängt von der Verbindung hochpräziser optischer Uhren ab, und unsere Ergebnisse zeigen, dass wir jetzt ein Werkzeug haben, das dazu in der Lage ist" , erklärt Laura Sinclair in einer Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster) . Sie ist Physikerin am Nist in Boulder und Autorin der Forschungsarbeit.
Bei seinem Testversuch in Hawaii zeigte das Team, dass es den Laser auch bei der minimalen Signalstärke, die für die Synchronisierung von Geräten erforderlich ist, erfolgreich einsetzen kann. Damit ist es den Forschern möglich, im Bereich der Quantengrenze zu arbeiten , an der weniger als ein Photon von einer Milliarde das Zielgerät erreicht. Das funktionierte selbst dann, wenn der Laser nur 40 Mikrowatt Leistung abgab, also etwa 30-mal weniger, als ein Laserpointer verbraucht. Für die Zukunft arbeitet das Nist-Team daran, die Größe, das Gewicht und die Leistung seines Systems zu verringern und es an den Einsatz mit beweglichen Plattformen anzupassen.
Zur Studie
Die Studie wurde am 21. Juni 2023 im Fachmagazin Nature veröffentlicht und heißt Quantum-limited optical time transfer for future geosynchronous links(öffnet im neuen Fenster) (" Quantenbegrenzte optische Zeitübertragung für zukünftige geosynchrone Verbindungen ").
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