Atomuhr

Atomuhr ⓘ
Die NIST-Physiker Steve Jefferts (im Vordergrund) und Tom Heavner mit der Cäsium-Fontänen-Atomuhr NIST-F2, einem zivilen Zeitstandard für die Vereinigten Staaten
Klassifizierung	Uhr
Industrie	Telekommunikation, Wissenschaft
Anwendung	TAI, Satellitennavigation
Brennstoffquelle	Elektrizität
Angetrieben	Ja

Das Ensemble der Hauptatomuhr im U.S. Naval Observatory in Washington, D.C., das den Zeitstandard für das US-Verteidigungsministerium liefert. Bei den rackmontierten Einheiten im Hintergrund handelt es sich um 5071A-Cäsiumstrahl-Uhren von Microsemi (früher HP). Bei den schwarzen Geräten im Vordergrund handelt es sich um Microsemi (ehemals Sigma-Tau) MHM-2010-Wasserstoffmasernormale. ⓘ

Eine Atomuhr ist eine Uhr, die die Zeit misst, indem sie die Frequenz der Strahlung von Atomen überwacht. Sie basiert auf Atomen mit unterschiedlichen Energieniveaus. Die Elektronenzustände in einem Atom sind mit verschiedenen Energieniveaus verbunden, und bei Übergängen zwischen diesen Zuständen interagieren sie mit einer ganz bestimmten Frequenz der elektromagnetischen Strahlung. Dieses Phänomen dient als Grundlage für die Definition einer Sekunde im Internationalen Einheitensystem:

Die Sekunde, Symbol s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie wird definiert, indem man den festen Zahlenwert der Cäsiumfrequenz $\Delta \nu _{\mathsf {Cs}}$, der ungestörten Hyperfeinübergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms im Grundzustand, auf 9192631770, ausgedrückt in der Einheit Hz, die gleich s-1 ist.

Diese Definition bildet die Grundlage für das System der Internationalen Atomzeit (TAI), das von einem Ensemble von Atomuhren auf der ganzen Welt aufrechterhalten wird. Das System der koordinierten Weltzeit (Coordinated Universal Time, UTC), das die Grundlage der zivilen Zeitrechnung bildet, setzt Schaltsekunden ein, damit die Uhrzeit Änderungen der Erdrotation mit einer Genauigkeit von einer Sekunde verfolgen kann, während sie auf Uhren basiert, die auf der Definition der Sekunde beruhen. ⓘ

Die genaue Zeitmessung von Atomuhren wird auch für die Navigation durch Satellitennetze wie das Galileo-Programm der Europäischen Union und das GPS der Vereinigten Staaten genutzt. Die Zeitmessgenauigkeit einer Atomuhr ist wichtig, denn je kleiner der Fehler bei der Zeitmessung ist, desto kleiner ist auch der Fehler bei der Entfernungsmessung, der sich aus der Multiplikation der Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt. ⓘ

Die wichtigste Art von Atomuhren verwendet Cäsiumatome, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Die primäre Norm für die Vereinigten Staaten, die Cäsium-Fontänenuhr des National Institute of Standards and Technology (NIST) namens NIST-F2, misst die Zeit mit einer Unsicherheit von 1 Sekunde in 300 Millionen Jahren (relative Unsicherheit 10-16). Die NIST-F2 wurde am 3. April 2014 in Betrieb genommen. ⓘ

Atomuhr ⓘ

Die Caesium-Atomuhr „CS 4“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig wurde 1992 in Betrieb genommen. Seit 2005 ist sie ein Exponat im Braunschweigischen Landesmuseum. ⓘ

Atomstrahlsystem der Cäsium-Atomuhr CS 1 im Deutschen Museum Bonn ⓘ

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Die Zeitanzeige einer Referenzuhr wird fortwährend mit dem Taktgeber verglichen und angepasst. Atomuhren sind derzeit die genauesten Uhren und werden auch primäre Uhren genannt. ⓘ

Die Messwerte von über 400 Atomuhren an über 60 weltweit verteilten Zeitinstituten werden durch GPS-Zeitvergleiche, inzwischen zunehmend durch Zweiweg Zeit- und Frequenzvergleiche (TWSTFT) verglichen. Die Ergebnisse werden dem Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) übermittelt, das aus ihnen einen gewichteten Durchschnitt bildet, der die Grundlage der Internationalen Atomzeit (TAI) ist, die von der BIPM veröffentlicht wird. ⓘ

Die Grundlagen der Atomuhr wurden von dem US-amerikanischen Physiker Isidor Isaac Rabi an der Columbia University entwickelt, der dafür 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt. Ein weiterer Nobelpreis im Zusammenhang mit Atomuhren wurde 1989 an den US-amerikanischen Physiker Norman Ramsey für die Verbesserung der Messtechnik bei atomaren Energie-Übergängen verliehen. ⓘ

Geschichte

Louis Essen (rechts) und Jack Parry (links) stehen neben der ersten Cäsium-133-Atomuhr der Welt (1955) ⓘ

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell schlug 1873 in seiner Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus vor, die Zeit mit den Schwingungen von Lichtwellen zu messen: "Eine universellere Zeiteinheit könnte gefunden werden, indem man die periodische Schwingungszeit der besonderen Art von Licht nimmt, deren Wellenlänge die Längeneinheit ist. Maxwell argumentierte, dass dies genauer wäre als die Erdrotation, die die mittlere Sonnensekunde für die Zeitmessung definiert. ⓘ

In den 1930er Jahren baute Isidor Rabi Geräte für Atomstrahl-Magnetresonanz-Frequenzuhren. ⓘ

Die Genauigkeit von mechanischen, elektromechanischen und Quarzuhren wird durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt. Dies führte zu der von James Clerk Maxwell, Lord Kelvin und Isidor Rabi vorgeschlagenen Idee, die Frequenz der Schwingungen eines Atoms zu messen, um die Zeit viel genauer zu messen. Er schlug das Konzept 1945 vor, was 1949 zur Demonstration einer auf Ammoniak basierenden Uhr führte. Daraufhin wurde 1955 im National Physical Laboratory im Vereinigten Königreich die erste praktische, genaue Atomuhr mit Cäsiumatomen gebaut. ⓘ

Eine Cäsium-Atomuhr aus dem Jahr 1975 (obere Einheit) und Batterie-Backup (untere Einheit) ⓘ

1949 entwickelten Kastler und Brossel eine Technik zur Erzeugung von Übergängen mit Licht, das so genannte optische Pumpen. Mit dieser Technik lassen sich wesentlich stärkere Magnetresonanz- und Mikrowellenabsorptionssignale erzeugen. Leider führte dies als Nebeneffekt zu einer leichten Verschiebung der Resonanzfrequenz. Cohen-Tannoudji und andere schafften es, die Lichtverschiebungen auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. ⓘ

Ramsey entwickelte eine Methode für höhere Frequenzen und engere Resonanzen in den schwingenden Feldern. Kolsky, Phipps, Ramsey und Silsbee verwendeten diese Technik 1950 für die Molekularstrahlspektroskopie. ⓘ

Nach 1956 beschäftigten sich zahlreiche Gruppen mit Atomuhren, darunter das National Institute of Standards and Technology (ehemals National Bureau of Standards), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Deutschland, der National Research Council (NRC) in Kanada, das National Physical Laboratory im Vereinigten Königreich, das International Time Bureau (französisch: Bureau International de l'Heure, abgekürzt BIH) mit Sitz am Pariser Observatorium, die National Radio Company, Bomac, Varian, Hewlett-Packard und Frequency & Time Systems. ⓘ

In den 1950er Jahren verkaufte die National Company mehr als 50 Exemplare der ersten Atomuhr, der Atomichron. Im Jahr 1964 brachten die Ingenieure von Hewlett-Packard das Rack-Modell 5060 der Cäsiumuhren auf den Markt. ⓘ

Definition der Sekunde

1968 wurde die Dauer der Sekunde auf 9192631770 Schwingungen der ungestörten Hyperfeinübergangsfrequenz des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms festgelegt. Zuvor war sie durch die Dauer von 31556925,9747 Sekunden im tropischen Jahr 1900 definiert. Die Definition aus dem Jahr 1968 wurde 2019 aktualisiert, um die neuen Bezeichnungen für Ampere, Kelvin, Kilogramm und Mol zu berücksichtigen, die bei der Neudefinition des Internationalen Einheitensystems 2019 beschlossen wurden. Forscher im Bereich der Zeitmessung arbeiten derzeit an der Entwicklung einer noch stabileren atomaren Referenz für die Sekunde, wobei geplant ist, eine genauere Definition der Sekunde zu finden, wenn sich die Atomuhren auf der Grundlage optischer Uhren oder der Rydberg-Konstante um das Jahr 2030 verbessern. ⓘ

Fortschritte bei optischen Uhren

Eine Ytterbium-Gitteruhr, die Photonen zur präzisen Zeitmessung nutzt ⓘ

Optische Uhren wurden erstmals in den 2000er Jahren entwickelt. Optische Uhren sind zwar noch nicht so ausgereift wie Cäsiumuhren, doch wenn man bedenkt, dass Cäsiumuhren seit der Definition der Sekunde im Jahr 1960 die Zeit messen, erreichen sie rasch neue Genauigkeitsstufen. Optische Uhren, die so genau sind wie die genauesten verfügbaren Cäsiumuhren, d. h. mit einer relativen Unsicherheit von 10-16, werden derzeit weiterentwickelt. ⓘ

Der erste Fortschritt, der die Genauigkeit von Cäsiumuhren übertrifft, wurde 2010 am NIST mit der Demonstration einer optischen Uhr mit Quantenlogik" erzielt, die Aluminiumionen verwendet, um eine Genauigkeit von 10-17 zu erreichen. Optische Uhren sind ein sehr aktives Forschungsgebiet im Bereich der Metrologie, da Wissenschaftler an der Entwicklung von Uhren arbeiten, die auf den Elementen Ytterbium, Quecksilber, Aluminium und Strontium basieren. Wissenschaftler am JILA demonstrierten 2015 eine Strontium-Uhr mit einer Frequenzgenauigkeit von 10-18. Wissenschaftler am NIST entwickelten 2019 eine Quantenlogikuhr, die ein einzelnes Aluminium-Ion mit einer Frequenzunsicherheit von 10-19 misst. Am JILA demonstrierten Wissenschaftler im September 2021 eine optische Strontiumuhr mit einer Frequenzdifferenzgenauigkeit von 7,6×10-21. Es wird erwartet, dass die Sekunde neu definiert wird, wenn der Bereich der optischen Uhren ausgereift ist, etwa um das Jahr 2026 oder 2030. Dazu müssen die optischen Uhren in der Lage sein, die Zeit mit sehr hoher und konstanter Präzision zu messen. Außerdem müssen Methoden für einen zuverlässigen und genauen Vergleich verschiedener optischer Uhren auf der ganzen Welt in nationalen Metrologielabors nachgewiesen werden. ⓘ

Fortschritte in der Metrologie und optische Uhren

Technologische Entwicklungen wie Laser und optische Frequenzkämme führten in den 1990er Jahren zu einer höheren Genauigkeit von Atomuhren. ⓘ

Atomuhren im Chipmaßstab

Das Herzstück der Miniatur-Atomuhr der nächsten Generation des NIST - die mit hohen "optischen" Frequenzen tickt - ist diese Dampfzelle auf einem Chip, die zur Veranschaulichung neben einer Kaffeebohne abgebildet ist. ⓘ

Die Entwicklung von Atomuhren im Chipmaßstab hat nicht nur die Genauigkeit erhöht, sondern auch die Zahl der Einsatzmöglichkeiten von Atomuhren erweitert. Im August 2004 demonstrierten NIST-Wissenschaftler eine Atomuhr im Chipmaßstab, die 100-mal kleiner war als eine gewöhnliche Atomuhr und einen viel geringeren Stromverbrauch von 125 mW hatte. Die Atomuhr war etwa so groß wie ein Reiskorn und hatte eine Frequenz von etwa 9 Gigahertz. Diese Technologie ist seit 2011 kommerziell verfügbar. Atomuhren in der Größe eines Chips benötigen weniger als 30 Milliwatt Strom. ⓘ

Das National Institute of Standards and Technology hat das Programm NIST on a chip ins Leben gerufen, um kompakte Methoden zur Zeitmessung mit einem Gerät von nur wenigen Millimetern Durchmesser zu entwickeln. ⓘ

Metrologieexperten entwickeln derzeit (2022) Atomuhren, die neue Entwicklungen wie Ionenfallen und optische Kämme einsetzen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen. ⓘ

Wie Atomuhren funktionieren

Zeitstandards

Eine Atomuhr basiert auf einem System von Atomen, die sich in einem von zwei möglichen Energiezuständen befinden können. Eine Gruppe von Atomen in einem Zustand wird vorbereitet und dann einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Wenn die Strahlung die richtige Frequenz hat, geht eine Anzahl von Atomen in den anderen Energiezustand über. Je näher die Frequenz an der Eigenschwingungsfrequenz der Atome liegt, desto mehr Atome werden den Zustand wechseln. Dies ermöglicht eine sehr genaue Abstimmung der Frequenz der Mikrowellenstrahlung. Sobald die Mikrowellenstrahlung auf eine bekannte Frequenz eingestellt ist, kann sie als zeithaltender Oszillator zur Messung der verstrichenen Zeit verwendet werden. ⓘ

Einige wenige nationale Metrologie-Laboratorien betreiben Atomuhren, darunter die Pariser Sternwarte, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Deutschland, das National Institute of Standards and Technology NIST in Colorado und Maryland, das JILA an der Universität von Colorado Boulder, das National Physical Laboratory/NPL im Vereinigten Königreich und das Allrussische Wissenschaftliche Forschungsinstitut für physikalisch-technische und radiotechnische Metrologie. Sie tun dies, indem sie Frequenznormale entwickeln und bauen, die elektrische Schwingungen mit einer Frequenz erzeugen, deren Verhältnis zur Übergangsfrequenz von Cäsium 133 bekannt ist, um eine sehr geringe Unsicherheit zu erreichen. Diese primären Frequenznormale schätzen und korrigieren verschiedene Frequenzverschiebungen, darunter relativistische Dopplerverschiebungen, die mit der Bewegung von Atomen, der Wärmestrahlung der Umgebung (Schwarzkörperverschiebung) und verschiedenen anderen Faktoren zusammenhängen. Die besten Primärnormale erzeugen derzeit die SI-Sekunde mit einer Genauigkeit, die sich der Unsicherheit von einem Teil in 10¹⁶ nähert. ⓘ

Es ist wichtig zu beachten, dass bei dieser Genauigkeit die Unterschiede im Gravitationsfeld des Geräts nicht ignoriert werden können. Der Standard wird dann im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie betrachtet, um die Eigenzeit an einem bestimmten Punkt zu bestimmen. ⓘ

Das Internationale Büro für Maß und Gewicht, abgekürzt BIPM, stellt eine Liste von Frequenzen zur Verfügung, die als Sekundärdarstellung der Sekunde dienen. Diese Liste enthält die Frequenzwerte und die entsprechenden Standardunsicherheiten für den Rubidium-Mikrowellenübergang und andere optische Übergänge, einschließlich neutraler Atome und einzelner gefangener Ionen. Diese sekundären Frequenzstandards können bis zu einem Teil in 10¹⁸ genau sein; die Unsicherheiten in der Liste betragen jedoch einen Teil in 10¹⁴-10¹⁶. Dies liegt daran, dass die Unsicherheit des zentralen Cäsiumstandards, gegen den die Sekundärstandards kalibriert werden, ein Teil in 10¹⁴-10¹⁶ ist. ⓘ

Primäre Frequenznormale können zur Kalibrierung der Frequenz anderer Uhren verwendet werden, die in nationalen Laboratorien eingesetzt werden. Dabei handelt es sich in der Regel um handelsübliche Cäsiumuhren mit sehr guter Langzeitfrequenzstabilität, die eine Frequenz mit einer Stabilität von besser als 1 Teil in 10¹⁴ über einige Monate beibehalten. Die Unsicherheit der Primärnormalfrequenzen liegt bei etwa einem Teil in 10¹³. ⓘ

Wasserstoffmaser, die sich auf den 1,4-GHz-Hyperfeinübergang von atomarem Wasserstoff stützen, werden ebenfalls in Zeitmesslabors eingesetzt. Masers übertreffen jede kommerzielle Cäsiumuhr in Bezug auf die kurzfristige Frequenzstabilität. Traditionell werden diese Instrumente in allen Anwendungen eingesetzt, die eine konstante Referenz über Zeiträume von weniger als einem Tag erfordern (Frequenzstabilität von etwa 1:10 bei Mittelungszeiten von einigen Stunden). Da einige aktive Wasserstoffmaser eine bescheidene, aber vorhersehbare Frequenzdrift aufweisen, sind sie ein wichtiger Bestandteil des BIPM-Ensembles kommerzieller Uhren, die die Internationale Atomzeit umsetzen. ⓘ

Synchronisation mit Satelliten

Die Zeitangaben der Uhren in den mit dem BIPM zusammenarbeitenden Metrologielabors müssen sehr genau bekannt sein. Einige Operationen erfordern die Synchronisation von Atomuhren, die durch große Entfernungen von Tausenden von Kilometern voneinander getrennt sind. Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) bieten eine zufriedenstellende Lösung für das Problem der Zeitübertragung. Das Global Positioning System (GPS) der Vereinigten Staaten, das Global Navigation Satellite System (GLONASS) der Russischen Föderation, das Galileo-System der Europäischen Union und das BeiDou-System Chinas verwenden Atomuhren zur Übertragung von Zeitsignalen. ⓘ

Das von einem Satelliten empfangene Signal in einem Messlabor, das mit einem Empfänger mit genau bekannter Position ausgestattet ist, ermöglicht die Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen der lokalen Zeitskala und der Zeit des GNSS-Systems mit einer Unsicherheit von einigen Nanosekunden bei einer Mittelung über 15 Minuten. Die Empfänger ermöglichen den gleichzeitigen Empfang der Signale mehrerer Satelliten und nutzen die auf zwei Frequenzen übertragenen Signale. Je mehr Satelliten gestartet werden und ihren Betrieb aufnehmen, desto genauer werden die Zeitmessungen werden. ⓘ

Diese Methoden des Zeitvergleichs müssen Korrekturen für die Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie von einigen Nanosekunden vornehmen. ⓘ

Datenpunkte, die Atomuhren auf der ganzen Welt repräsentieren und die Internationale Atomzeit (TAI) definieren ⓘ

Internationale Zeitmessung

Nationale Laboratorien betreiben in der Regel eine Reihe von Uhren. Diese werden unabhängig voneinander betrieben, und ihre Messungen werden manchmal kombiniert, um eine Skala zu erstellen, die stabiler und genauer ist als die der einzelnen Uhren, die dazu beitragen. Diese Skala ermöglicht Zeitvergleiche zwischen verschiedenen Uhren im Labor. Diese atomaren Zeitskalen werden im Allgemeinen als TA(k) für Labor k bezeichnet. ⓘ

Die koordinierte Weltzeit (UTC) ist das Ergebnis des Vergleichs von Uhren in nationalen Laboratorien auf der ganzen Welt mit der internationalen Atomzeit. Die Internationale Atomzeit ist ein gewichteter Durchschnitt von rund 450 Uhren in etwa 80 Zeitinstituten. Die relative Stabilität der TAI liegt bei etwa einem Teil in 10¹⁶. ⓘ

Bevor die TAI veröffentlicht wird, wird die Frequenz des Ergebnisses mit der SI-Sekunde bei verschiedenen primären und sekundären Frequenznormalen verglichen. Dazu müssen relativistische Korrekturen an der Position des Primärnormals vorgenommen werden, die vom Abstand zwischen dem gleichen Schwerkraftpotential und dem rotierenden Geoid der Erde abhängen. Diese Korrekturen betragen etwa 1 Teil für jeweils 10¹⁶ Höhenmeter. Die Werte des rotierenden Geoids und der TAI ändern sich jeden Monat geringfügig und sind im BIPM-Rundschreiben T veröffentlicht. Die TAI-Zeitskala wird um einige Wochen verschoben, da der Durchschnitt der Atomuhren auf der ganzen Welt berechnet wird. ⓘ

Die TAI wird in der täglichen Zeitmessung nicht verteilt. Stattdessen wird eine ganzzahlige Anzahl von Schaltsekunden addiert oder subtrahiert, um die Erdrotation zu korrigieren, wodurch die UTC entsteht. Die Schaltsekunden werden so angepasst, dass die durchschnittliche Rotationszeit der Erde nicht um mehr als 0,9 Sekunden von der UTC-Mittagszeit abweicht. ⓘ

Nationale Metrologieinstitute pflegen eine Annäherung an UTC, die als UTC(k) für das Labor k bezeichnet wird. UTC(k) wird vom Beratenden Ausschuss für Zeit und Frequenz des BIPM verteilt. Der Offset UTC-UTC(k) wird monatlich alle fünf Tage veröffentlicht. Atomuhren zeichnen UTC(k) mit einer Genauigkeit von nicht mehr als 100 Nanosekunden auf. In einigen Ländern ist UTC(k) die gesetzliche Zeit, die über Radio, Fernsehen, Telefon, Internet, Glasfaserkabel, Zeitzeichensender und Sprechuhren verbreitet wird. Darüber hinaus liefert das GNSS Zeitmessungen für das Land mit einer Genauigkeit von einigen zehn Nanosekunden oder besser. ⓘ

Überlegungen

Die Lebensdauer eines Standards ist ein wichtiger praktischer Aspekt. Wasserstoff-Maser-Uhren sind zum Beispiel weniger teuer, haben aber eine geringere Langzeitgenauigkeit. Cäsiumuhren hingegen sind genauer, aber auch wesentlich teurer. ⓘ

Der Stromverbrauch von Atomuhren variiert mit ihrer Größe. Rubidium-Uhren sind zum Beispiel weniger genau, aber viel kleiner und billiger als die extrem genauen optischen Strontium-Uhren. ⓘ

Typen

Ein Team der United States Air Force trägt eine Rubidium-Uhr. ⓘ

Wasserstoff-Maser ⓘ

Cäsium

Zu den Cäsiumuhren gehören die NIST-F1-Uhr, die 1999 entwickelt wurde, und die NIST-F2-Uhr, die 2013 entwickelt wurde. ⓘ

Cäsium hat mehrere Eigenschaften, die es zu einer guten Wahl für eine Atomuhr machen. Während sich ein Wasserstoffatom bei Raumtemperatur mit 1.600 m/s und ein Stickstoffatom mit 510 m/s bewegt, bewegt sich ein Cäsiumatom aufgrund seiner größeren Masse mit einer viel langsameren Geschwindigkeit von 130 m/s. Die Hyperfeinfrequenz von Cäsium (9,19 GHz) ist auch höher als die anderer Elemente wie Rubidium (6,8 GHz) und Wasserstoff (1,4 GHz). Die hohe Frequenz von Cäsium ermöglicht genauere Messungen. Cäsium-Referenzröhren, die für nationale Normale geeignet sind, haben derzeit eine Lebensdauer von etwa sieben Jahren und kosten etwa 35.000 US-Dollar. Primäre Frequenz- und Zeitnormale wie die Atomuhren des United States Time Standard, NIST-F1 und NIST-F2, verwenden eine weitaus höhere Leistung. ⓘ

Rubidium

Rubidium-Standarduhren werden wegen ihrer geringen Kosten, ihrer geringen Größe (kommerzielle Standards sind so klein wie 1,7×10⁵ mm³) und ihrer Kurzzeitstabilität geschätzt. Sie werden in vielen kommerziellen, tragbaren und Raumfahrtanwendungen eingesetzt. Moderne Rubidium-Standardröhren haben eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren und können schon ab 50 US-Dollar erhältlich sein. In einigen kommerziellen Anwendungen wird beispielsweise ein Rubidium-Standard verwendet, der regelmäßig von einem Empfänger des globalen Positionsbestimmungssystems korrigiert wird (siehe disziplinierter GPS-Oszillator). Auf diese Weise wird eine hervorragende Kurzzeitgenauigkeit erreicht, wobei die Langzeitgenauigkeit den nationalen US-Zeitnormalen entspricht (und auf diese rückführbar ist). ⓘ

Wasserstoff

Wasserstoffmaser haben im Vergleich zu anderen Standards eine höhere Kurzzeitstabilität, aber eine geringere Langzeitgenauigkeit. Die Langzeitstabilität von Wasserstoffmasernormalen nimmt ab, da sich die Eigenschaften des Hohlraums mit der Zeit verändern. Die Genauigkeit von Wasserstoff-Masern ist $5\times 10^{-16}$ für Zeiträume von 1000 Sekunden. Daher eignen sich Wasserstoffmaser für die Radioastronomie, insbesondere für die Interferometrie mit sehr langen Basislinien. Wasserstoffmaser werden für Schwungradoszillatoren in lasergekühlten Atomfrequenznormalen und für die Übertragung von Zeitsignalen aus nationalen Normallabors verwendet, obwohl sie korrigiert werden sollten, da sie mit der Zeit von der richtigen Frequenz abweichen. Der Wasserstoffmaser ist auch nützlich für experimentelle Tests der Effekte der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie, wie z. B. der gravitativen Rotverschiebung. ⓘ

Mechanismus zur Zeitmessung

Definition des Internationalen Einheitensystems

Seit 1968 definiert das SI die Sekunde als die Dauer von 9192631770 Strahlungszyklen, die dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen. Im Jahr 1997 fügte das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) hinzu, dass sich die vorstehende Definition auf ein ruhendes Cäsiumatom bei einer Temperatur von absolut Null bezieht. ⓘ

Diese Definition macht den Cäsium-Oszillator zum primären Standard für Zeit- und Frequenzmessungen, dem sogenannten Cäsiumstandard. Nach der Neudefinition der SI-Basiseinheiten im Jahr 2019 stützt sich die Definition jeder Basiseinheit mit Ausnahme des Mols und fast aller abgeleiteten Einheiten auf die Definition der Sekunde. ⓘ

Abstimmung und Optimierung

Vereinfachtes Blockdiagramm einer typischen handelsüblichen Cäsiumstrahl-Frequenzreferenz ⓘ

Bei dieser speziellen Konstruktion besteht die Zeitreferenz einer Atomuhr aus einem Quarz, der mit Mikrowellenfrequenz schwingt. Der Oszillator ist so angeordnet, dass seine frequenzbestimmenden Komponenten ein Element enthalten, das durch ein Rückkopplungssignal gesteuert werden kann. Das Rückkopplungssignal hält den Oszillator in Resonanz mit der Frequenz des Hyperfeinstoffübergangs. ⓘ

Das Herzstück der Radiofrequenz-Atomuhr ist ein abstimmbarer Mikrowellenhohlraum, der ein Gas enthält. In einer Wasserstoff-Maser-Uhr sendet das Gas bei einem Hyperfeinstoffübergang Mikrowellen aus (das Gas masert), das Feld im Hohlraum schwingt, und der Hohlraum wird auf maximale Mikrowellenamplitude abgestimmt. Bei einer Cäsium- oder Rubidiumuhr absorbiert der Strahl oder das Gas die Mikrowellen, und der Hohlraum enthält einen elektronischen Verstärker, der das Gas zum Schwingen bringt. Bei beiden Typen werden die Atome im Gas in einem Hyperfeinzustand vorbereitet, bevor sie in den Hohlraum gefüllt werden. Beim zweiten Typ wird die Anzahl der Atome, die den Hyperfeinzustand wechseln, erfasst und der Hohlraum auf ein Maximum der erfassten Zustandsänderungen abgestimmt. ⓘ

Der größte Teil der Komplexität der Uhr liegt in diesem Anpassungsprozess. Bei der Einstellung wird versucht, unerwünschte Nebeneffekte wie Frequenzen anderer Elektronenübergänge, Temperaturänderungen und die durch die Vibration von Molekülen verursachte Frequenzspreizung einschließlich Dopplerverbreiterung zu korrigieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, die Frequenz des Mikrowellenoszillators über einen schmalen Bereich zu schwingen, um am Detektor ein moduliertes Signal zu erzeugen. Das Signal des Detektors kann dann demoduliert werden, um eine Rückkopplung zur Kontrolle der langfristigen Drift der Radiofrequenz anzuwenden. Auf diese Weise können die quantenmechanischen Eigenschaften der atomaren Übergangsfrequenz des Cäsiums genutzt werden, um den Mikrowellenoszillator auf dieselbe Frequenz abzustimmen, abgesehen von einem kleinen experimentellen Fehler. Wenn eine Uhr zum ersten Mal eingeschaltet wird, dauert es eine Weile, bis sich der Oszillator stabilisiert. In der Praxis ist der Rückkopplungs- und Überwachungsmechanismus sehr viel komplexer. ⓘ

Mechanismus der Uhr

Alle Zeitmessgeräte nutzen Schwingungsphänomene, um die Zeit genau zu messen, sei es die Drehung der Erde bei einer Sonnenuhr, das Schwingen eines Pendels in einer Standuhr, die Schwingungen von Federn und Zahnrädern in einer Uhr oder Spannungsänderungen in einer Quarzuhr. All dies wird jedoch leicht durch Temperaturschwankungen beeinflusst und ist nicht sehr genau. Die genauesten Uhren verwenden Atomschwingungen, um die Zeit zu messen. Einer der wichtigsten Faktoren für die Leistung einer Uhr ist der atomare Linienqualitätsfaktor Q, der definiert ist als das Verhältnis der absoluten Frequenz $\nu _{0}$ der Resonanz zur Linienbreite der Resonanz selbst $\Delta \nu$. Atomare Resonanz hat einen viel höheren Linienqualitätsfaktor Q als mechanische Geräte. Atomuhren können auch in viel höherem Maße von Umwelteinflüssen isoliert werden. Atomuhren haben den Vorteil, dass Atome universell sind, was bedeutet, dass auch die Schwingungsfrequenz universell ist. Dies unterscheidet sich von Quarz- und mechanischen Zeitmessgeräten, die keine universelle Frequenz haben. ⓘ

Die Qualität einer Uhr kann durch zwei Parameter bestimmt werden: Unsicherheit und Stabilität. Die Unsicherheit ist ein Maß dafür, inwieweit das Ticken der Uhr konstant bleibt, ohne sich zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Die Stabilität ist ein Maß dafür, wie sich die Uhr im Laufe der Zeit verhält, wenn die Messungen im Verhältnis zur Genauigkeit gemittelt werden. ⓘ

Die Instabilität einer Uhr wird durch die folgende Gleichung beschrieben: $\textstyle \sigma _{y}(\tau )\approx {\frac {\Delta v}{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}}$ wobei $\Delta \nu$ die spektroskopische Linienbreite des Uhrensystems ist, $N$ die Anzahl der in einer einzelnen Messung verwendeten Atome oder Ionen ist, $T_{\text{c}}$ die für einen Zyklus benötigte Zeit ist und $\tau$ die Mittelungszeit ist. Dies bedeutet, dass die Instabilität geringer ist, wenn die Linienbreite $\Delta \nu$ kleiner ist und wenn ${\sqrt {N}}$ das Signal-Rausch-Verhältnis größer ist. Die Stabilität verbessert sich, wenn die Zeit $\tau$ über die die Messungen gemittelt werden, von Sekunden über Stunden bis hin zu Tagen. Die Stabilität wird am stärksten von der Oszillatorfrequenz beeinflusst $\Delta \nu$. Aus diesem Grund sind optische Uhren wie Strontium-Uhren (429 Terahertz) viel genauer als Cäsium-Uhren (9,19 Gigahertz). ⓘ

Genauigkeit

Historische Genauigkeit von Atomuhren vom NIST ⓘ

Die Genauigkeit von Atomuhren hat sich seit dem ersten Prototyp in den 1950er Jahren kontinuierlich verbessert. Die erste Generation von Atomuhren basierte auf der Messung von Cäsium-, Rubidium- und Wasserstoffatomen. In einem Zeitraum von 1959 bis 1998 entwickelte das NIST eine Serie von sieben Cäsium-133-Mikrowellenuhren mit den Bezeichnungen NBS-1 bis NBS-6 und NIST-7, nachdem die Behörde ihren Namen vom National Bureau of Standards in National Institute of Standards and Technology geändert hatte. Die erste Uhr hatte eine Genauigkeit von 10-11 und die letzte Uhr eine Genauigkeit von 10-15. Die Uhren waren die ersten, die eine Cäsiumfontäne verwendeten, die von Jerrod Zacharias eingeführt wurde, sowie die Laserkühlung von Atomen, die 1978 von Dave Wineland und seinen Kollegen demonstriert wurde. ⓘ

Der nächste Schritt bei den Fortschritten der Atomuhren besteht darin, von einer Genauigkeit von 10-15 auf eine Genauigkeit von 10-18 und sogar 10-19 zu kommen. Ziel ist es, die Sekunde neu zu definieren, wenn die Uhren so genau werden, dass sie im Alter des Universums nicht mehr als eine Sekunde verlieren oder gewinnen. Dazu müssen die Wissenschaftler die Genauigkeit von Uhren nachweisen, die Strontium und Ytterbium sowie die optische Gittertechnologie verwenden. ⓘ

Das Ziel einer Atomuhr mit einer Genauigkeit von 10-16 wurde zuerst mit der Cäsium-Fontänenuhr NPL-CsF2 des National Physical Laboratory im Vereinigten Königreich und der NIST-F2 in den USA erreicht. Die Steigerung der Genauigkeit von NIST-F1 zu NIST-F2 ist auf Fortschritte in der Technologie der Flüssigstickstoffkühlung für Atome zurückzuführen. ⓘ

Die Leistung der primären und sekundären Frequenznormale, die zur Internationalen Atomzeit (TAI) beitragen, wird bewertet. Die Bewertungsberichte der einzelnen (hauptsächlich primären) Uhren werden vom Internationalen Büro für Maße und Gewichte (BIPM) online veröffentlicht. ⓘ

In neueren Atomuhren arbeitet man mit thermisch abgebremsten Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der „Caesium-Fontäne“ (engl.: Cesium fountain) werden Caesiumatome dazu stark abgekühlt, so dass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. Die langsamen Atome werden dann mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine ballistische Flugbahn (deswegen der Ausdruck Caesium-Fontäne), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die relative Standardabweichung der Caesium-Fontäne NIST-F1 lag im Jahr 1999 bei nur etwa 10⁻¹⁵; bis 2018 wurde die Präzision auf 10⁻¹⁶ gesteigert, was einer Abweichung von einer Sekunde in 300 Millionen Jahren entspricht. ⓘ

Forschung

Eine experimentelle optische Uhr auf Strontiumbasis ⓘ

Die meisten Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die oft widersprüchlichen Ziele, die Uhren kleiner, billiger, tragbarer, energieeffizienter, genauer, stabiler und zuverlässiger zu machen. Das Cold Atom Clock Experiment in Space (CACES), bei dem eine kalte Atomuhr in der Erdumlaufbahn unter Mikrogravitationsbedingungen getestet wird, und das Atomic Clock Ensemble in Space sind Beispiele für die Uhrenforschung. ⓘ

Sekundärdarstellungen der Sekunde

Das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) führt seit 2006 eine Liste der für die Sekundärdarstellung der Sekunde empfohlenen Frequenzen, die online verfügbar ist. Die Liste enthält die Frequenzwerte und die jeweiligen Standardunsicherheiten für den Rubidium-Mikrowellenübergang und für mehrere optische Übergänge. Diese sekundären Frequenznormale sind auf 10-18 genau; die in der Liste angegebenen Unsicherheiten liegen jedoch im Bereich von 10-14 - 10-15, da sie durch die Verknüpfung mit dem Cäsium-Primärnormal, das derzeit (2018) die Sekunde definiert, begrenzt sind. ⓘ

Typ	Arbeitsfrequenz (Hz)	Relative Allan-Abweichung (typische Uhren)	Referenz ⓘ
133Cs	9,192631770×109 nach Definition	10−13
87Rb	6.834682610904324×109	10−12
1H	1.4204057517667×109	10−15
Optische Uhr (87Sr)	4.292280042298734×1014	10−17

Die experimentellen Atomuhren des einundzwanzigsten Jahrhunderts, die sekundäre Darstellungen der Sekunde auf Nicht-Cäsiumbasis liefern, werden so genau, dass sie wahrscheinlich als äußerst empfindliche Detektoren für andere Dinge als die Messung von Frequenz und Zeit verwendet werden. So wird die Frequenz von Atomuhren durch Schwerkraft, Magnetfelder, elektrische Felder, Kraft, Bewegung, Temperatur und andere Phänomene leicht verändert. Die experimentellen Uhren werden in der Regel immer besser, und die Führungsposition bei den Leistungen wechselt zwischen den verschiedenen Arten von experimentellen Uhren hin und her. ⓘ

Quantenuhren

Im März 2008 beschrieben Physiker des NIST eine Quantenlogikuhr, die auf einzelnen Ionen von Beryllium und Aluminium basiert. Diese Uhr wurde mit der Quecksilberionenuhr des NIST verglichen. Es handelte sich dabei um die genauesten Uhren, die je konstruiert worden waren, wobei keine der beiden Uhren mehr als eine Sekunde in über einer Milliarde Jahren an Zeit gewinnt oder verliert. Im Februar 2010 beschrieben NIST-Physiker eine zweite, verbesserte Version der Quantenlogik-Uhr, die auf einzelnen Magnesium- und Aluminium-Ionen basiert. Sie galt 2010 als die präziseste Uhr der Welt und bietet mit einer Frequenzungenauigkeit von 8,6×10-18 mehr als doppelt so viel Präzision wie das Original. Im Juli 2019 demonstrierten NIST-Wissenschaftler eine solche Al⁺-Quantenlogikuhr mit einer Gesamtunsicherheit von 9,4×10-19, was die erste Demonstration einer solchen Uhr mit einer Unsicherheit unter 10-18 ist. ⓘ

Die Genauigkeit der experimentellen Quantenuhren wurde inzwischen durch experimentelle optische Gitteruhren auf der Basis von Strontium-87 und Ytterbium-171 überholt. ⓘ

Konzept der nuklearen (optischen) Uhr

Eine theoretische Möglichkeit zur Verbesserung der Leistung von Atomuhren besteht darin, einen nuklearen Energieübergang (zwischen verschiedenen nuklearen Isomeren) anstelle der atomaren Elektronenübergänge zu nutzen, die die derzeitigen Atomuhren messen. Die meisten nuklearen Übergänge arbeiten mit einer viel zu hohen Frequenz, um gemessen werden zu können, aber 2003 stellten Ekkehard Peik und Christian Tamm fest, dass die außergewöhnlich niedrige Anregungsenergie von ^229m
Th
in der Reichweite aktueller Frequenzmesstechniken liegt und somit eine Uhr möglich ist. Im Jahr 2012 wurde gezeigt, dass eine nukleare Uhr, die auf einem einzigen ²²⁹
Th³⁺
Ions eine Frequenzungenauigkeit von insgesamt 1,5×10-19 aufweisen könnte, was besser ist als die derzeitige Atomuhrtechnologie von 2019. Obwohl die theoretische Möglichkeit nach wie vor nicht verwirklicht ist, wurden 2019 bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung einer experimentellen Atomuhr erzielt. ⓘ

Eine Kernenergiewende bietet folgende potenzielle Vorteile:

1. Höhere Frequenz. Unter sonst gleichen Bedingungen bietet ein Übergang mit höherer Frequenz aus einfachen statistischen Gründen eine größere Stabilität (Schwankungen werden über mehr Zyklen gemittelt).
2. Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Aufgrund seiner geringen Größe und der abschirmenden Wirkung der umgebenden Elektronen ist ein Atomkern wesentlich unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Umgebungsfeldern als ein Elektron in einem Orbital.
3. Größere Anzahl von Atomen. Aufgrund der oben erwähnten Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsfeldern ist es nicht erforderlich, dass die Uhrenatome in einem verdünnten Gas gut voneinander getrennt sind. Es wäre sogar möglich, den Mössbauer-Effekt auszunutzen und die Atome in einem Festkörper zu platzieren, wodurch Milliarden von Atomen abgefragt werden könnten. ⓘ

Techniken zum Uhrenvergleich

Im Juni 2015 haben das Europäische Nationale Physikalische Laboratorium (NPL) in Teddington (Vereinigtes Königreich), die französische Abteilung für Zeit-Raum-Referenzsysteme am Pariser Observatorium (LNE-SYRTE), die deutsche Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und das italienische Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) in Turin mit Tests begonnen, um die Genauigkeit der derzeit modernsten Satellitenvergleiche um den Faktor 10 zu verbessern, aber sie wird immer noch auf einen Teil von 1 beschränkt sein. Diese vier europäischen Labors entwickeln und betreiben eine Vielzahl von experimentellen optischen Uhren, die verschiedene Elemente in unterschiedlichen Versuchsaufbauten nutzen, und wollen ihre optischen Uhren miteinander vergleichen und prüfen, ob sie übereinstimmen. In einer nächsten Phase streben diese Labors an, Vergleichssignale im sichtbaren Spektrum über Glasfaserkabel zu übertragen. Dies wird es ihnen ermöglichen, ihre experimentellen optischen Uhren mit einer Genauigkeit zu vergleichen, die der erwarteten Genauigkeit der optischen Uhren selbst entspricht. Einige dieser Labors haben bereits Glasfaserverbindungen eingerichtet, und es wurde mit Tests auf den Abschnitten zwischen Paris und Teddington sowie Paris und Braunschweig begonnen. Glasfaserverbindungen zwischen experimentellen optischen Uhren gibt es auch zwischen dem amerikanischen NIST-Labor und seinem Partnerlabor JILA, beide in Boulder, Colorado, aber diese überbrücken viel kürzere Entfernungen als das europäische Netz und sind nur zwischen zwei Labors. Laut Fritz Riehle, Physiker an der PTB, "ist Europa in einer einzigartigen Position, da es eine hohe Dichte der besten Uhren der Welt hat". Im August 2016 meldeten das französische LNE-SYRTE in Paris und die deutsche PTB in Braunschweig den Vergleich und die Übereinstimmung zweier völlig unabhängiger experimenteller optischer Strontium-Gitteruhren in Paris und Braunschweig mit einer Unsicherheit von 5×10-17 über eine neu eingerichtete phasenkohärente Frequenzverbindung, die Paris und Braunschweig über ein 1.415 km langes Telekommunikations-Glasfaserkabel verbindet. Die Teilunsicherheit der gesamten Verbindung wurde auf 2,5×10-19 geschätzt, so dass Vergleiche mit noch genaueren Uhren möglich sind. Im Jahr 2021 verglich das NIST die Übertragung von Signalen einer Reihe experimenteller Atomuhren, die im Abstand von etwa 1,5 km im NIST-Labor, seinem Partnerlabor JILA und der Universität von Colorado in Boulder, Colorado, über Luft und Glasfaserkabel mit einer Genauigkeit von 8×10-18. ⓘ

Optische Uhren

Mai 2009 - Die optische Strontium-Atomuhr des JILA basiert auf neutralen Atomen. Indem ein blauer Laser auf ultrakalte Strontiumatome in einer optischen Falle gerichtet wird, wird getestet, wie effizient ein vorheriger Lichtstoß eines roten Lasers die Atome in einen angeregten Zustand gebracht hat. Nur die Atome, die im niedrigeren Energiezustand verbleiben, reagieren auf den blauen Laser und verursachen die hier zu sehende Fluoreszenz. ⓘ

Die Idee, Atome mit Hilfe von Lasern in einem optischen Gitter einzufangen, wurde in den 1960er Jahren von dem russischen Physiker Vladilen Letokhov vorgeschlagen. Der theoretische Übergang von Mikrowellen als atomare "Hemmung" für Uhren zu Licht im optischen Bereich (das schwieriger zu messen ist, aber eine bessere Leistung bietet) brachte John L. Hall und Theodor W. Hänsch 2005 den Nobelpreis für Physik ein. Einer der Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2012, David J. Wineland, ist ein Pionier bei der Nutzung der Eigenschaften eines einzelnen Ions in einer Falle, um Uhren mit höchster Stabilität zu entwickeln. Die erste optische Uhr wurde am NIST im Jahr 2000 begonnen und 2006 fertiggestellt. ⓘ

Die Entwicklung von Femtosekunden-Frequenzkämmen und optischen Gittern hat zu einer neuen Generation von Atomuhren geführt. Diese Uhren basieren auf atomaren Übergängen, die sichtbares Licht anstelle von Mikrowellen aussenden. Ein großes Hindernis bei der Entwicklung einer optischen Uhr ist die Schwierigkeit, optische Frequenzen direkt zu messen. Dieses Problem wurde mit der Entwicklung von selbstreferenzierenden, modengekoppelten Lasern gelöst, die gemeinhin als Femtosekunden-Frequenzkämme bezeichnet werden. Vor der Demonstration des Frequenzkamms im Jahr 2000 waren Terahertz-Techniken erforderlich, um die Lücke zwischen Radio- und optischen Frequenzen zu schließen, und die entsprechenden Systeme waren umständlich und kompliziert. Mit der Verfeinerung des Frequenzkamms sind diese Messungen viel zugänglicher geworden und zahlreiche optische Uhrensysteme werden nun weltweit entwickelt. ⓘ

Wie im Funkbereich wird die Absorptionsspektroskopie zur Stabilisierung eines Oszillators - in diesem Fall eines Lasers - eingesetzt. Wenn die optische Frequenz mit Hilfe eines Femtosekundenkamms in eine zählbare Radiofrequenz heruntergeteilt wird, wird auch die Bandbreite des Phasenrauschens um diesen Faktor geteilt. Obwohl die Bandbreite des Laser-Phasenrauschens im Allgemeinen größer ist als die stabiler Mikrowellenquellen, ist sie nach der Teilung geringer. ⓘ

Die primären Systeme, die für den Einsatz in optischen Frequenznormalen in Frage kommen, sind

• Einzelne Ionen, die in einer Ionenfalle isoliert sind;
• neutrale Atome, die in einem optischen Gitter gefangen sind, und
• Atome, die in einem dreidimensionalen optischen Quantengasgitter angeordnet sind. ⓘ

Diese Techniken ermöglichen es, die Atome oder Ionen in hohem Maße von externen Störungen zu isolieren und so eine äußerst stabile Frequenzreferenz zu erzeugen. Laser und magneto-optische Fallen werden zur Kühlung der Atome eingesetzt, um die Präzision zu verbessern. ⓘ

Zu den betrachteten Atomsystemen gehören Al⁺, Hg^+/2+, Hg, Sr, Sr^+/2+, In^+/3+, Mg, Ca, Ca⁺, Yb^+/2+/3+, Yb und Th^+/3+. Die Farbe der elektromagnetischen Strahlung einer Uhr hängt von dem Element ab, das simuliert wird. Optische Uhren aus Kalzium schwingen beispielsweise bei rotem Licht, Uhren aus Ytterbium bei violettem Licht. ⓘ

Eine der beiden optischen Ytterbium-Gitter-Atomuhren des NIST aus dem Jahr 2013 ⓘ

Das Seltene-Erden-Element Ytterbium (Yb) wird weniger wegen seiner mechanischen Eigenschaften als vielmehr wegen der Ergänzung seiner internen Energieniveaus geschätzt. "Ein bestimmter Übergang in Yb-Atomen bei einer Wellenlänge von 578 nm liefert derzeit eines der genauesten optischen Atomfrequenznormale der Welt", so Marianna Safronova. Die geschätzte Höhe der erreichten Unsicherheit entspricht einer Unsicherheit der Yb-Uhr von etwa einer Sekunde über die bisherige Lebensdauer des Universums von 15 Milliarden Jahren, wie Wissenschaftler des Joint Quantum Institute (JQI) und der University of Delaware im Dezember 2012 mitteilten. ⓘ

Im Jahr 2013 wurde gezeigt, dass optische Gitteruhren (OLCs) genauso gut oder besser sind als Cäsium-Fontänenuhren. Zwei optische Gitteruhren, die etwa 10000 Strontium-87-Atome enthalten, konnten mit einer Genauigkeit von mindestens 1,5×10-16 miteinander synchronisiert werden, was die höchste Genauigkeit ist, die im Experiment gemessen werden konnte. Es hat sich gezeigt, dass diese Uhren mit allen drei Cäsium-Fontänenuhren des Pariser Observatoriums Schritt halten können. Für die möglicherweise bessere Genauigkeit gibt es zwei Gründe. Erstens wird die Frequenz mit Licht gemessen, das eine viel höhere Frequenz als Mikrowellen hat, und zweitens werden durch die Verwendung vieler Atome etwaige Fehler gemittelt. Mit Ytterbium-171-Atomen wurde am 22. August 2013 ein neuer Stabilitätsrekord mit einer Genauigkeit von 1,6×10-18 über einen Zeitraum von 7 Stunden veröffentlicht. Bei dieser Stabilität würden die beiden vom NIST-Forschungsteam verwendeten, unabhängig voneinander arbeitenden optischen Gitteruhren über das Alter des Universums (13,8×10⁹ Jahre) weniger als eine Sekunde voneinander abweichen; dies ist zehnmal besser als frühere Experimente. Die Uhren basieren auf 10 000 Ytterbium-Atomen, die auf 10 Mikrokelvin abgekühlt und in einem optischen Gitter gefangen sind. Ein Laser bei 578 nm regt die Atome zwischen zwei ihrer Energieniveaus an. Nachdem die Stabilität der Uhren festgestellt wurde, untersuchen die Forscher nun äußere Einflüsse und bewerten die verbleibenden systematischen Unsicherheiten, in der Hoffnung, dass sie die Genauigkeit der Uhr auf das Niveau ihrer Stabilität senken können. Eine verbesserte optische Gitteruhr wurde 2014 in einem Nature-Artikel beschrieben. Im Jahr 2015 bewertete das JILA die absolute Frequenzunsicherheit einer optischen Strontium-87-Gitteruhr mit 2,1×10-18, was einer messbaren gravitativen Zeitdilatation für eine Höhenänderung von 2 cm auf der Erde entspricht, die laut JILA/NIST-Mitarbeiter Jun Ye "wirklich nahe daran ist, für die relativistische Geodäsie nützlich zu sein". Bei dieser Frequenzunsicherheit wird erwartet, dass diese optische JILA-Gitteruhr in mehr als 15 Milliarden Jahren weder eine Sekunde gewinnt noch verliert. ⓘ

Die dreidimensionale (3-D) Quantengas-Atomuhr von JILA aus dem Jahr 2017 besteht aus einem Lichtgitter, das von drei Laserstrahlpaaren gebildet wird. Ein Stapel aus zwei Tischen wird verwendet, um die optischen Komponenten um eine Vakuumkammer herum anzuordnen. Hier ist der obere Tisch zu sehen, auf dem Linsen und andere optische Komponenten montiert sind. Ein blauer Laserstrahl regt eine würfelförmige Wolke aus Strontiumatomen an, die sich hinter dem runden Fenster in der Mitte des Tisches befindet. Strontiumatome fluoreszieren stark, wenn sie mit blauem Licht angeregt werden. ⓘ

2017 berichtete das JILA über eine experimentelle optische 3D-Quantengas-Strontium-Gitteruhr, bei der Strontium-87-Atome in einen winzigen dreidimensionalen Würfel mit der 1000-fachen Dichte früherer eindimensionaler Uhren (wie der JILA-Uhr von 2015) gepackt sind. Ein synchroner Uhrenvergleich zwischen zwei Regionen des 3D-Gitters ergab eine Rekordsynchronisation von 5×10-19 in einer Stunde Mittelungszeit. Das Herzstück der optischen 3D-Quantengas-Gitteruhr aus Strontium ist ein ungewöhnlicher Materiezustand, der als entartetes Fermi-Gas (ein Quantengas für Fermi-Teilchen) bezeichnet wird. Die experimentellen Daten zeigen, dass die 3D-Quantengasuhr in etwa zwei Stunden eine Genauigkeit von 3,5×10-19 erreicht. Laut Jun Ye "stellt dies eine erhebliche Verbesserung gegenüber allen bisherigen Demonstrationen dar". Ye kommentierte weiter: "Das wichtigste Potenzial der 3D-Quantengasuhr ist die Fähigkeit, die Anzahl der Atome zu erhöhen, was zu einem enormen Stabilitätsgewinn führen wird." und "Die Fähigkeit, sowohl die Anzahl der Atome als auch die Kohärenzzeit zu erhöhen, wird diese neue Generation der Uhr qualitativ von der vorherigen Generation unterscheiden." Im Jahr 2018 berichtete JILA, dass die 3D-Quantengasuhr eine Frequenzgenauigkeit von 2,5×10-19 über 6 Stunden erreicht hat. Bei dieser Frequenzunsicherheit würde diese 3D-Quantengasuhr über das Alter des Universums etwa 0,1 Sekunden verlieren oder gewinnen. Kürzlich wurde nachgewiesen, dass die Quantenverschränkung dazu beitragen kann, die Stabilität der Uhr weiter zu erhöhen. Im Jahr 2020 wurden optische Uhren für Weltraumanwendungen wie künftige Generationen globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS) als Ersatz für mikrowellenbasierte Uhren erforscht. ⓘ

Im Februar 2022 berichteten Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison über eine "gemultiplexte" optische Atomuhr, bei der die einzelnen Uhren mit einer Genauigkeit voneinander abwichen, die dem Verlust einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren entspricht. Die gemeldete geringfügige Abweichung ist dadurch zu erklären, dass sich die betreffenden Uhrenoszillatoren in leicht unterschiedlichen Umgebungen befinden. Diese verursachen unterschiedliche Reaktionen auf Schwerkraft, Magnetfelder oder andere Bedingungen. Dieser Ansatz für ein miniaturisiertes Uhrennetzwerk ist insofern neuartig, als er ein optisches Gitter aus Strontiumatomen und eine Konfiguration von sechs Uhren verwendet, die zur Demonstration der relativen Stabilität, der fraktionalen Unsicherheit zwischen den Uhren und der Methoden für ultrapräzise Vergleiche zwischen optischen Atomuhren-Ensembles, die sich in einer Metrologieeinrichtung nahe beieinander befinden, verwendet werden können. ⓘ

Optische Uhren sind derzeit (2022) noch in erster Linie Forschungsprojekte und weniger ausgereift als Rubidium- und Cäsium-Mikrowellennormale, die regelmäßig Zeit an das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) zur Festlegung der Internationalen Atomzeit (TAI) liefern. In dem Maße, wie die optischen experimentellen Uhren ihre Mikrowellenpendants in Bezug auf Genauigkeit und Stabilität übertreffen, sind sie in der Lage, den derzeitigen Zeitstandard, die Cäsium-Fontänenuhr, zu ersetzen. In Zukunft könnte dies dazu führen, dass die auf Cäsium-Mikrowellen basierende SI-Sekunde neu definiert wird, und es werden andere neue Verbreitungstechniken auf höchstem Genauigkeitsniveau für die Übertragung von Uhrensignalen erforderlich sein, die sowohl für Kurzstrecken- als auch für Langstrecken-(Frequenz-)Vergleiche zwischen besseren Uhren verwendet werden können und ihre grundlegenden Grenzen ausloten, ohne ihre Leistung wesentlich zu beeinträchtigen. Das BIPM berichtete im Dezember 2021, dass der Beratende Ausschuss für Zeit und Frequenz (CCTF) auf der Grundlage der Fortschritte bei den optischen Normen, die zur TAI beitragen, Arbeiten für eine Neudefinition der Sekunde aufgenommen hat, die für die 2030er Jahre erwartet wird. ⓘ

Atomuhren im Chipmaßstab

Die genauesten Cäsiumuhren, die auf der Cäsiumfrequenz von 9,19 Gigahertz basieren, haben eine Genauigkeit zwischen $10^{-15}-10^{-16}$. Leider sind sie groß und nur in großen Metrologielabors verfügbar und nicht für Fabriken oder industrielle Umgebungen geeignet, die eine Atomuhr für die GPS-Genauigkeit verwenden würden, sich aber nicht leisten können, ein ganzes Metrologielabor für eine Atomuhr zu bauen. Die Forscher haben eine optische Strontiumuhr entwickelt, die in einem klimatisierten Autoanhänger transportiert werden kann. ⓘ

Die Neudefinition der Sekunde

Im Jahr 2022 wird die Sekunde am besten mit Cäsium-Primärnormaluhren wie IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU-CsFO2 oder SYRTE-FO2 realisiert. Diese Uhren funktionieren, indem eine Wolke von Cs-Atomen in einer magneto-optischen Falle per Laser auf ein Mikrokelvin abgekühlt wird. Diese kalten Atome werden dann mit Laserlicht vertikal abgeschossen. Die Atome werden dann in einem Mikrowellenresonator nach Ramsey angeregt. Der Anteil der angeregten Atome wird dann mit Laserstrahlen nachgewiesen. Diese Uhren haben eine systematische Unsicherheit von 5×10-16, was 50 Pikosekunden pro Tag entspricht. Ein System aus mehreren Quellen weltweit trägt zur Internationalen Atomzeit bei. Diese Cäsiumuhren sind auch die Grundlage für optische Frequenzmessungen. ⓘ

Der Vorteil optischer Uhren lässt sich durch die Aussage erklären, dass die Instabilität $\sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}$ , wobei f die Frequenz ist, $\sigma$ die Instabilität ist und S/N das Signal-Rausch-Verhältnis ist. Daraus ergibt sich die Gleichung $\sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}$. ⓘ

Optische Uhren beruhen auf verbotenen optischen Übergängen in Ionen oder Atomen. Sie haben Frequenzen um 10¹⁵ Hz, mit einer natürlichen Linienbreite $\Delta f$ von typischerweise 1 Hz, so dass der Q-Faktor etwa 10¹⁵ oder sogar noch höher ist. Sie haben eine bessere Stabilität als Mikrowellenuhren, was bedeutet, dass sie die Bewertung geringerer Unsicherheiten erleichtern können. Außerdem haben sie eine bessere Zeitauflösung, was bedeutet, dass die Uhr schneller "tickt". Optische Uhren verwenden entweder ein einzelnes Ion oder ein optisches Gitter mit 10⁴-10⁶ Atomen. ⓘ

Rydberg-Konstante

Eine Definition auf der Grundlage der Rydberg-Konstante würde bedeuten, dass der Wert auf einen bestimmten Wert festgelegt wird: $R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h}}$. Die Rydberg-Konstante beschreibt die Energieniveaus in einem Wasserstoffatom mit der nichtrelativistischen Näherung $E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}$. ⓘ

Die einzige Möglichkeit, die Rydberg-Konstante festzulegen, besteht darin, Wasserstoff einzufangen und abzukühlen. Leider ist dies schwierig, da Wasserstoff sehr leicht ist und die Atome sich sehr schnell bewegen, was zu Doppler-Verschiebungen führt. Die zur Kühlung des Wasserstoffs erforderliche Strahlung - 121,5 nm - ist ebenfalls schwierig. Eine weitere Hürde ist die Verbesserung der Unsicherheit bei quantenelektrodynamischen/QED-Berechnungen. ⓘ

Anforderungen

Eine Neudefinition muss eine verbesserte Zuverlässigkeit der optischen Uhren beinhalten. Die optischen Uhren müssen zur TAI beitragen, bevor das BIPM eine Neudefinition beschließt. Vor der Neudefinition der Sekunde muss eine konsistente Methode zur Übertragung von Signalen entwickelt werden, z. B. Glasfaseroptik. ⓘ

Anwendungen

Die Entwicklung von Atomuhren hat zu zahlreichen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritten geführt, z. B. zu einem System präziser globaler und regionaler Satellitennavigationssysteme und zu Anwendungen im Internet, die in hohem Maße von Frequenz- und Zeitstandards abhängen. Atomuhren werden an den Standorten von Zeitsignal-Funksendern installiert. Sie werden bei einigen Lang- und Mittelwellensendern eingesetzt, um eine sehr genaue Trägerfrequenz zu liefern. Atomuhren werden in vielen wissenschaftlichen Disziplinen eingesetzt, z. B. für die Langlinieninterferometrie in der Radioastronomie. ⓘ

Globale Satellitennavigationssysteme

Das von der United States Space Force betriebene Global Positioning System (GPS) liefert sehr genaue Zeit- und Frequenzsignale. Ein GPS-Empfänger misst die relative Zeitverzögerung der Signale von mindestens vier, in der Regel aber mehr GPS-Satelliten, von denen jeder mindestens zwei Cäsium- und bis zu zwei Rubidium-Atomuhren an Bord hat. Die relativen Zeiten werden mathematisch in drei absolute Raumkoordinaten und eine absolute Zeitkoordinate umgewandelt. Die GPS-Zeit (GPST) ist eine kontinuierliche Zeitskala und theoretisch bis auf etwa 14 Nanosekunden genau. Die meisten Empfänger verlieren jedoch an Genauigkeit bei der Interpretation der Signale und sind nur auf 100 Nanosekunden genau. Die GPST ist mit der TAI (International Atomic Time) und der UTC (Coordinated Universal Time) verwandt, unterscheidet sich aber von ihnen. Die GPST hat einen konstanten Versatz zur TAI (TAI - GPST = 19 Sekunden) und kennt wie die TAI keine Schaltsekunden. Die Uhren an Bord der Satelliten werden regelmäßig korrigiert, um sie mit den Uhren am Boden synchron zu halten. Die GPS-Navigationsnachricht enthält die Differenz zwischen GPST und UTC. Im Juli 2015 ist GPST aufgrund der Schaltsekunde, die am 30. Juni 2015 zu UTC hinzugefügt wurde, der UTC um 17 Sekunden voraus. Die Empfänger ziehen diesen Versatz von der GPS-Zeit ab, um die UTC und die Werte für die einzelnen Zeitzonen zu berechnen. ⓘ

Das von den russischen Luft- und Raumfahrtstreitkräften betriebene GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) stellt eine Alternative zum Global Positioning System (GPS) dar und ist das zweite Navigationssystem mit globaler Abdeckung und vergleichbarer Präzision. Die GLONASS-Zeit (GLONASST) wird vom GLONASS-Zentralsynchronisator erzeugt und ist in der Regel besser als 1.000 Nanosekunden. Im Gegensatz zu GPS enthält die GLONASS-Zeitskala Schaltsekunden, wie UTC. ⓘ

Passiver Weltraum-Wasserstoffmaser, der in den Galileo-Satelliten der ESA als Hauptuhr für ein bordseitiges Zeitmesssystem verwendet wird ⓘ

Das globale Satellitennavigationssystem Galileo wird von der Europäischen GNSS-Agentur und der Europäischen Weltraumorganisation betrieben. Galileo bietet seit dem 15. Dezember 2016 eine globale Early Operational Capability (EOC) und ist damit das dritte und erste nicht-militärisch betriebene globale Satellitennavigationssystem. Die Galileo-Systemzeit (GST) ist eine kontinuierliche Zeitskala, die am Boden im Galileo-Kontrollzentrum in Fucino, Italien, von der Precise Timing Facility generiert wird. Sie basiert auf Durchschnittswerten verschiedener Atomuhren, wird vom Galileo-Zentralsegment gewartet und mit einer nominellen Abweichung von weniger als 50 Nanosekunden mit TAI synchronisiert. Nach Angaben der Europäischen GNSS-Agentur bietet Galileo eine Zeitgenauigkeit von 30 Nanosekunden. Der vierteljährliche Leistungsbericht des Europäischen GNSS-Dienstzentrums vom März 2018 meldete, dass die Genauigkeit des UTC-Zeitverbreitungsdienstes ≤ 7,6 Nanosekunden betrug, was durch die Akkumulation von Stichproben über die vorangegangenen 12 Monate berechnet wurde und das Ziel von ≤ 30 ns übertraf. Jeder Galileo-Satellit verfügt über zwei passive Wasserstoff-Maser und zwei Rubidium-Atomuhren für die Zeitmessung an Bord. Die Galileo-Navigationsnachricht enthält die Unterschiede zwischen GST, UTC und GPST (zur Förderung der Interoperabilität). Im Sommer 2021 entschied sich die Europäische Union für einen passiven Wasserstoffmaser für die zweite Generation von Galileo-Satelliten, die im Jahr 2023 starten soll, mit einer voraussichtlichen Lebensdauer von 12 Jahren pro Satellit. Die Maser sind etwa 2 Fuß lang und wiegen 40 Pfund. ⓘ

Das Satellitennavigationssystem BeiDou-2/BeiDou-3 wird von der Nationalen Raumfahrtbehörde Chinas betrieben. Die BeiDou-Zeit (BDT) ist eine kontinuierliche Zeitskala, die am 1. Januar 2006 um 0:00:00 UTC beginnt und mit UTC innerhalb von 100 ns synchronisiert ist. BeiDou wurde im Dezember 2011 in China mit 10 Satelliten in Betrieb genommen und bietet seit Dezember 2012 Dienste für Kunden in der asiatisch-pazifischen Region an. Am 27. Dezember 2018 begann das BeiDou-Navigationssatellitensystem, globale Dienste mit einer angegebenen Zeitgenauigkeit von 20 ns anzubieten. Der 35. und letzte BeiDou-3-Satellit für die globale Abdeckung wurde am 23. Juni 2020 in die Umlaufbahn gebracht. ⓘ

Experimentelle Weltraumuhr

Im April 2015 gab die NASA bekannt, dass sie plant, eine Deep Space Atomic Clock (DSAC), eine miniaturisierte, ultrapräzise Quecksilber-Ionen-Atomuhr, im Weltraum einzusetzen. Nach Angaben der NASA soll die DSAC wesentlich stabiler sein als andere Navigationsuhren. Die Uhr wurde am 25. Juni 2019 erfolgreich gestartet, am 23. August 2019 aktiviert und zwei Jahre später, am 18. September 2021, wieder deaktiviert. ⓘ

Militärische Nutzung

Im Jahr 2022 kündigte die DARPA an, die Zeitmesssysteme des US-Militärs aufzurüsten, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, wenn die Sensoren keinen Zugang zu GPS-Satelliten haben, wobei eine Genauigkeit von 1 Teil in 10¹² angestrebt wird. Das robuste optische Uhrennetz wird im Laufe der vierjährigen Entwicklungszeit ein Gleichgewicht zwischen Benutzerfreundlichkeit und Genauigkeit herstellen. ⓘ

Zeitsignal-Funksender

Eine Funkuhr ist eine Uhr, die sich automatisch mit Hilfe von Funkzeitsignalen synchronisiert, die von einem Funkempfänger empfangen werden. Einige Hersteller bezeichnen Funkuhren als Atomuhren, weil die Funksignale, die sie empfangen, von Atomuhren stammen. Normale preisgünstige Empfänger für Verbraucher, die sich auf die amplitudenmodulierten Zeitsignale stützen, haben eine praktische Genauigkeitsunsicherheit von ± 0,1 Sekunden. Dies ist für viele Verbraucheranwendungen ausreichend. Zeitempfänger in Instrumentenqualität bieten eine höhere Genauigkeit. Solche Geräte haben eine Ausbreitungsverzögerung von etwa 1 ms pro 300 km Entfernung vom Funksender. Viele Regierungen betreiben Sendeanlagen für die Zeitmessung. ⓘ

Allgemeine Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Uhren in einem Gravitationsfeld langsamer ticken. Mit Atomuhren lässt sich die allgemeine Relativitätstheorie in immer kleinerem Maßstab überprüfen. Ein Projekt zur Beobachtung von 12 Atomuhren vom 11. November 1999 bis zum Oktober 2014 führte zu einem weiteren Beweis dafür, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in kleinen Maßstäben korrekt ist. Im Jahr 2021 maß ein Team von Wissenschaftlern am JILA den durch die gravitative Rotverschiebung bedingten Zeitunterschied zwischen zwei durch einen Millimeter getrennten Atomschichten mit einer auf 100 Nanokelvin gekühlten optischen Strontiumuhr mit einer Genauigkeit von 7,6×10-21 Sekunden. Mit Hilfe von Atomuhren lässt sich auch feststellen, wie die Zeit gleichzeitig von der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik beeinflusst wird. ⓘ

Finanzielle Systeme

Atomuhren zeichnen Transaktionen zwischen Käufern und Verkäufern auf die Millisekunde oder besser auf, insbesondere beim Hochfrequenzhandel. Eine genaue Zeitmessung ist erforderlich, um illegalen Handel im Voraus zu verhindern und die Fairness gegenüber Händlern auf der anderen Seite des Globus zu gewährleisten. Das derzeitige System, das als NTP bekannt ist, ist nur auf eine Millisekunde genau. ⓘ

Geschichte und Entwicklungen

Kleinformatige Atomuhren für die praktische Anwendung

Chip-scale Atomuhr vom NIST ⓘ

Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerter, kleiner, leichter und energiesparender Uhren, z. B. für den Einsatz in Satelliten von Satellitennavigationssystemen wie GPS, GLONASS oder Galileo, um so die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Im Jahr 2003 gelang es, eine Rubidium-Atomuhr zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm³ einnimmt und eine elektrische Leistung von einem Watt aufnimmt. Dabei erreicht sie eine relative Standardabweichung von ca. 3 · 10⁻¹². Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren. Damit ist die Uhr zwar deutlich ungenauer als die großen stationären Atomuhren, aber erheblich genauer als eine Quarzuhr. (Genaue, nicht temperaturkompensierte Quarzuhren haben eine Abweichung von rund einer Sekunde in einem Monat. Verglichen mit diesen ist diese kleine Atomuhr 120.000-mal genauer.) ⓘ

Wasserstoff-Maser-Uhren zur Anregung der Schwingung sind ebenfalls hochgenau, aber schwieriger zu betreiben. Der erste Wasserstoff-Maser im Erdorbit ist auf dem Galileo-Navigationssatelliten Giove-B am 27. April 2008 als Zeitbasis für die Ortsbestimmung in die Umlaufbahn transportiert worden. ⓘ

Atomuhren in integrierten Schaltkreisen

Im Jahr 2011 kam eine portable Chip Scale Atomic Clock (CSAC) mit einem Volumen von 17 cm³ zu einem Preis von $1500 auf den zivilen Markt. ⓘ

Am MIT wurden 2018 Forschungsergebnisse publiziert, die eine integrierte Atomuhr im Subterahertzbereich auf Carbonylsulfid-Basis beschreiben. ⓘ

Atomkernuhr

Eine weitere Steigerung der Präzision wird von einer Uhr erwartet, die das angeregte Niveau eines Atomkerns statt der Atomhülle nutzt. Der Atomkern ist etwa zehntausendmal kleiner als die Elektronenhülle und daher viel weniger anfällig für elektromagnetische Störfelder. Damit das Niveau mit Laserlicht angeregt werden kann, darf die Anregungsenergie nur wenige Elektronenvolt betragen, ein für Kerne extrem kleiner Wert. Der einzige bekannte Kandidat dafür, ein Niveau im Nuklid Thorium-229, wurde im September 2019 so genau vermessen, dass der Bau einer solchen genaueren Kernuhr in den Bereich der Möglichkeiten rücken könnte. ⓘ

Anwendungsbeispiele

• In vielen Standards-Instituten weltweit wird die ursprünglich von Hewlett-Packard entwickelte und später von Agilent, dann Symmetricom und zuletzt Microsemi vertriebene Caesiumuhr Modell 5071A eingesetzt, z. B. im Atomuhr-Labor des U.S. Naval Observatory.
• Im Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), einem Teil des Columbus-Raumlabors, sollen zwei Caesium-Atomuhren für die Verwendung bei Galileo getestet werden.
• Rubidiumuhren können in kompakten Abmessungen und preisgünstig hergestellt werden. Sie werden in den Bereichen Telekommunikation, Energieversorgung und zum Kalibrieren in der Industrie verwendet. Ein sehr hoch entwickeltes Modell arbeitet in der neuesten Generation der Satelliten des GPS-Navigationssystems.
• Ein Rubidium-Oszillator stabilisierte die Trägerfrequenz des Langwellen-Rundfunksenders Donebach.
• Im Internet werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren mittels Network Time Protocol (NTP) frei für alle zur Verfügung gestellt.
• Rubidiumuhren kommen in hochwertigen Wordclock-Generatoren zum Einsatz, um Verbände digitaler Audiogeräte miteinander zu synchronisieren. ⓘ