- Forschende des NIST haben die Präzision einer Aluminium-Ionenuhr deutlich gesteigert und damit einen neuen Weltrekord für Genauigkeit aufgestellt
- Erreicht wurden eine 41 % höhere Genauigkeit als beim bisherigen Rekord sowie eine 2,6-fach verbesserte Stabilität gegenüber anderen Ionenuhren
- Wichtige Leistungsverbesserungen gelangen durch innovative Techniken wie Quantum-Logic-Spektroskopie mit einem Aluminium-Magnesium-Ionenpaar, die Optimierung des Vakuumsystems und Laser-Upgrades
- Durch jahrzehntelange Forschung ist nun eine Messung von 1 Sekunde bis in den Bereich von 10^-19 möglich, was voraussichtlich zur Definition der nächsten Generation von Zeiteinheiten und zum Fortschritt der Quantenphysik beitragen wird
- Durch die verkürzte Messzeit wird auch ein Einsatz in breiterer Geowissenschaft sowie in der Forschung nach neuer Physik jenseits des Standardmodells erwartet
Leistungsverbesserung und neuer Rekord der NIST-Ionenuhr
- Forschende des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben die Leistung einer atomaren Uhr auf Basis von Aluminium-Ionen verbessert und damit die weltweit höchste Genauigkeit erreicht
- Diese Uhr erreicht eine Zeitmessgenauigkeit bis auf 19 Nachkommastellen
- Als Ergebnis kontinuierlicher Leistungs-Upgrades über die vergangenen 20 Jahre zeigt sie 41 % höhere Genauigkeit gegenüber dem bisherigen Weltrekord sowie eine 2,6-fach höhere Stabilität
- Möglich wurde dies durch sorgfältige Verbesserungen aller Komponenten, darunter Laser, Ionenfalle und Vakuumkammer
- Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht
Funktionsweise und Innovation der Aluminium-Ionenuhr
- Aluminium-Ionen zeigen ein sehr konstantes und hochfrequentes „Ticken“ und eignen sich daher hervorragend für die Zeitmessung
- Sie liefern eine stabilere Frequenz als Cäsium, das bislang für die Definition der Sekunde verwendet wurde
- Zudem sind sie weniger empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur oder Magnetfeldern
- Da Aluminium jedoch schwer mit Lasern zu detektieren und zu kühlen ist, wird zur Kompensation ein „Buddy-System“ mit einem Magnesium-Ion eingesetzt
- Magnesium lässt sich gut per Laser kontrollieren und kühlen, und mit der Technik der Quantum-Logic-Spektroskopie kann der Zustand des Aluminium-Ions indirekt beobachtet werden
Zentrale Faktoren der Systemverbesserung
- Unerwünschte Mikrobewegungen (Excess micromotion) in der Falle, in der die Ionen gespeichert werden, waren eine Ursache für verringerte Genauigkeit
- Verbesserung der Fallenstruktur: Durch die Verwendung eines dickeren Diamantwafers und die Optimierung der Goldbeschichtung zur Korrektur von Ungleichgewichten der Elektroden wurde die Ionenbewegung minimiert
- Auch die Vakuumkammer wurde neu konstruiert: Statt Stahl kam Titan zum Einsatz, wodurch die Wasserstoffkonzentration im Inneren um mehr als das 150-Fache gesenkt und Ionenkollisionen sowie Versuchsunterbrechungen stark reduziert wurden
- Dadurch wurde der Nachladezyklus von 30 Minuten auf mehrere Tage verlängert
Laserstabilität und verkürzte Messzeit
- Eine hochleistungsfähige Laserstabilität ist der Schlüssel zur höheren Genauigkeit
- Ein weltweit führend stabiler Laser aus dem JILA-Labor des NIST (Gruppe von Jun Ye) wurde per Glasfaser in das 3,6 km entfernte Uhrenlabor des NIST übertragen
- Mithilfe eines optischen Frequenzkamms (frequency comb) wurden die Eigenschaften zweier Laser verglichen, sodass der Laser der Uhr letztlich die Stabilität des Lasers aus dem Ye-Labor übernahm
- Dadurch konnte die Ionenmesszeit (Messung des „Ticks“) von 150 ms auf 1 Sekunde verlängert werden, was die Messzeit bis zur 19. Nachkommastelle drastisch von 3 Wochen auf anderthalb Tage verkürzte
Künftiger Beitrag und Einsatz der NIST-Ionenuhr
- Dieser neue Genauigkeitsrekord schafft eine Grundlage für die künftige Neudefinition der weltweiten Standardsekunde, für Geowissenschaften und für Anwendungen in der Präzisionsphysik
- Das Upgrade der Uhr verbessert auch ihre Fähigkeiten als testbed für quantenlogikbasierte Experimentierumgebungen erheblich
- Die Uhr kann als Schlüsselwerkzeug für geodätische Vermessung und die Erforschung physikalischer Phänomene jenseits des Standardmodells, etwa möglicher Änderungen von Naturkonstanten, eingesetzt werden
- Da die benötigte Zeit kürzer ist, eröffnen sich neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Messungen und Experimente
- Künftig könnte die Messleistung durch den Einsatz weiterer Ionen oder durch Verschränkung (entanglement) zwischen Ionen drastisch gesteigert werden
Referenzpapier
- Mason C. Marshall et al., "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, online veröffentlicht am 14. Juli 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Wenn man zwei dieser Uhren nebeneinander aufstellt, kann man schon bei nur wenigen Zentimetern Höhenunterschied (vertikale Position) den Unterschied durch Gravitation/Zeitdilatation messen. Erstaunlich, dass wir in einer Zeit leben, in der man zwar nicht direkt auf diesem Niveau, aber Cäsiumstrahl-Atomuhren für ein paar tausend Dollar kaufen und sogar selbst bauen kann
Cäsiumuhren sind mit einer vertikalen Bewegungsauflösung von etwa 1 Meile (1,6 km) vergleichbar. Das Lustige an Cäsiumuhren ist, dass man ungefähr drei davon in einen Minivan laden und zum Campen mitnehmen kann
http://leapsecond.com/great2005/
Diese Präzision ist unglaublich. Deshalb frage ich mich, wie schwierig und teuer es wäre, in einem „vernünftig gut ausgestatteten Labor“ selbst eine optische Uhr zu bauen. Es gibt kommerziell erhältliche optische Uhren in der Größe einiger Racks zu ziemlich hohen Preisen, und ich frage mich, ob die Materialien selbst noch so teuer sind oder ob es ausschließlich an der nötigen Expertise liegt
Diese Art, ultrapräzise Uhren zu vergleichen, ist wirklich großartig. Ich hoffe, dass wir künftig überall Einstein-Höhenmesser sehen werden
Ich frage mich, über welchen Zeitraum „Änderungen der vertikalen Position um wenige Zentimeter messen“ tatsächlich möglich ist. Ich bin nicht sicher, ob das unmittelbar messbar ist
Ich frage mich, wie weit sich die Präzision realistischerweise noch steigern lässt. Man beginnt sich vorzustellen, ob wir irgendwann in einer Welt leben, in der man mit Gravitation nicht nur Dinge auf kosmischer Skala, sondern auch im Alltag sehen kann, etwa Gravitationswellen oder Interferenzmuster, die entstehen, wenn jemand neben einem vorbeigeht
SKO BUFFS. Ich habe mal kurz bei NOAA gearbeitet, und es war wirklich toll, auf demselben Campus wie NIST spazieren gehen und arbeiten zu können. Ein unglaublich cooles Gebäude. Allerdings ist der gesamte Campus von einer Schließung bedroht
Hier eine Zusammenstellung jüngerer Diskussionen über Atomuhren.
Eine neue Atomfontänenuhr schließt sich der Gruppe an, die „die Welt auf die richtige Zeit bringt“ (NIST)
Großer Fortschritt bei Kernuhren eröffnet ein Zeitalter ultimativer ultrapräziser Zeitmessung (NIST)
Im Kommentarbereich des ersten Beitrags habe ich auch die zweite Meldung zusammengefasst. Die zweite handelt von der Entwicklung eines neuen Typs atomarer „Kern“-Uhr, die nicht auf Elektronen, sondern auf Atomkernen basiert. Da dort keine Genauigkeit genannt wurde, würde mich ein Vergleich mit dieser „Ionen“-Uhr interessieren
Die größte Unsicherheit bei der Al+-Uhr ist relativistische Zeitdilatation, die dadurch entsteht, dass sich das Ion in der Ionenfalle minimal bewegt. Eine 229Th-(Thorium-)Uhr wäre vermutlich demselben Effekt ausgesetzt, aber ich denke, die größere Atommasse könnte bei der Unterdrückung helfen
Aus Sicht eines Laien frage ich mich: Braucht man zur Messung der Genauigkeit einer Uhr nicht eine noch genauere Uhr? Wie misst man die Genauigkeit der genauesten Uhr der Welt?
Ich frage mich, wie man die Genauigkeit von Uhren misst. Wenn alle Uhren winzige Fehler haben, sind dann nicht alle falsch?
Die Genauigkeit einer Uhr folgt aus der Definition, danach misst man die Präzision. Wenn man zwei Uhren baut und misst, wie stark sie voneinander abweichen, kennt man die Präzision.
Wenn die beiden Uhren sich an unterschiedlichen Orten befinden, sind interessante Experimente möglich, etwa messbare Zeitdilatation. Zum Beispiel:
Das ist eine der typischen, unterhaltsamen Fragen, die bei Präzisionsuhren immer auftauchen.
Man baut zwei oder mehr identische Uhren und setzt sie gleichzeitig auf dieselbe Zeit. Wären es perfekte Uhren, gäbe es auch nach langer Zeit keinen Unterschied, aber in der Praxis driften sie allmählich auseinander (sowohl durch systematische als auch durch zufällige Abweichungen).
Wenn man diesen Unterschied betrachtet, sieht man, wie sich der Fehler wie ein „Random Walk“ ausbreitet. Führt man das Experiment mit mehreren Uhren durch, zeigt die Fehlervarianz, welche Uhr besser ist.
Auch ohne einen absolut perfekten Standard kann man also durch Vergleich zweier Uhren die Zufälligkeit messen
Seit 1967 gibt es eine physikalische Definition der Sekunde
https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition
Praktisch gesehen misst man nicht die „Genauigkeit“ der Uhr, sondern die „Größe des Rauschens“. Die physikalische Quelle der Uhr selbst verändert sich nicht, aber es mischt sich Rauschen ein.
Schon extrem kleine Magnetfelder oder Temperaturänderungen können zum Beispiel die Ganggeschwindigkeit der Uhr verändern, daher muss man diese Effekte so gut wie möglich abschirmen oder kontrollieren. Die verbleibenden Einflüsse werden rechnerisch korrigiert, und dieser Wert ist dann die Genauigkeit.
Wenn man es direkt messen will, kann man auch zwei identische Uhren synchronisieren und sie nach einiger Zeit miteinander vergleichen (wobei man Effekte der Relativitätstheorie berücksichtigen muss)
Zeit wird auf Grundlage unveränderlicher physikalischer Phänomene definiert.
Da zum Beispiel alle Elektronen vollkommen identisch sind, kann man mit solchen Eigenschaften einen präzisen Zeitstandard schaffen
Ich bin unsicher, ob das wirklich eine „Uhr“ ist oder eher nur ein „Taktsignal“, ähnlich wie bei einem Positionsencoder. Also ob sie vielleicht nur in einem bestimmten Bereich als „Absolutwert“ dient
Solche optischen Atomuhren auf Basis eines gefangenen einzelnen Ions oder neutraler Atome im Gitter erzeugen nicht selbst ein kontinuierliches Taktsignal.
Stattdessen braucht man einen Laser (frequency comb), der das optische Signal im Bereich von mehreren hundert THz in ein elektronisches Signal im Bereich MHz bis GHz herunterteilt.
Um als Signaluhr für die eigentliche Zeitdarstellung vollständige Kontinuität zu erreichen, braucht man mehrere optische Uhren (derzeit muss häufig zurückgesetzt werden, weil sowohl Ionen als auch neutrale Atome verloren gehen).
Das kontinuierliche Signal kommt vom Laser. Dieser arbeitet mit infrarotem Licht auf Basis von Erbium- oder Ytterbium-Glas und ist auf die Resonanzfrequenz des Ions abgestimmt.
Über kurze Zeiträume ist Rauschen schwer herauszufiltern, daher wird die Frequenzstabilität durch die Qualität des Siliziumresonators bestimmt (Qualitätsanforderungen wie Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen, Infrarot-Transmission usw.).
Ähnlich wie beim Taktsignal eines Computers entspricht das langfristig eher einer Synchronisation mit externen Quellen wie NTP, kurzfristig eher einem internen Quarzoszillator.
Diese optische Ionenuhr hat die bisher geringste Unsicherheit der Referenzfrequenz. Da aber nur ein einziges gefangenes Ion verwendet wird, ist das kurzfristige Rauschen größer als bei neutralen Gitteruhren, die Tausende Atome nutzen.
Deshalb muss man das tatsächliche Ausgangssignal sehr lange mitteln (mindestens mehrere Tage), um die angegebene Genauigkeit zu erreichen.
Die Kurzzeitgenauigkeit (1 Sekunde) liegt derzeit etwa tausendfach über der von Mikrowellenuhren auf Cäsium- oder Wasserstoffbasis, aber schon durch Mittelung erreicht man die Leistung bestehender Mikrowellenuhren
Ich frage mich, ob es außerhalb eines kosmischen Anfangspunkts wie dem Urknall überhaupt wirklich einen absoluten Zeitmaßstab gibt
Taktsignale lassen sich aufsummieren und vollständig zählen und sind auf lange Sicht sehr genau. Wie bei einem Drehencoder ist es konzeptionell möglich, Billionen von Signalen zu akkumulieren (auch wenn Encoder normalerweise kaum auf diese Weise gezählt werden)
Mir gefällt die Beschreibung als „beste Uhr“ aus Diamant und Gold. Hat etwas von Minecraft
Im Artikel gibt es viele interessante Bilder, etwa vom Gerät selbst. Aluminium ist Cäsium offensichtlich überlegen, aber praktisch schwerer zu handhaben, und es sieht so aus, als seien jetzt die Hürden beseitigt worden, die es bislang daran gehindert haben, zum Standard zu werden
Preprint
https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")
Wenn man authentifizierten Zugriff auf den NIST-NTP-Server möchte, muss man unbedingt einen Brief per US-Post oder FAX schicken (E-Mail ist nicht erlaubt).
NIST antwortet ebenfalls nur per Post mit den Schlüsselinformationen (E-Mail ist absolut ausgeschlossen).
Da die Abteilung, die normalerweise Post und FAX entgegennimmt, derzeit nur eingeschränkt erreichbar ist, kann es bei der Bearbeitung von Anfragen zu erheblichen Verzögerungen kommen
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
(Das habe ich bei der Umsetzung von FedRAMP erfahren)
Ich frage mich, ob NIST die Einführung von NTS (Network Time Security) erwägt
https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main
Ich frage mich, ob die Nutzung von FAX auch für Personen im Ausland erlaubt ist. Für Nutzer außerhalb der USA wirkt dieser Prozess etwas umständlich