Zeitmessung ETH entwickelt für die Forschung Methode zur präzisen Zeitmessung

Die ETH Zürich hat einen neuen Ansatz entwickelt, um die Frequenzmessung im Labor direkt mit der Atomuhr in Bern zu vergleichen. Das ermöglicht, gewisse Experimente mit einer bis zu hundert Mal höheren Genauigkeit durchzuführen.

Viele wissenschaftliche Versuchsanordnungen setzen voraus, dass die Zeit mit Hilfe einer klar definierten Frequenz mit hoher Präzision gemessen werden kann. Dafür wird entweder eine spezielle Leitung eingerichtet, auf der das Signal verschickt wird oder man nutzt zur Übermittlung die bestehende Infrastruktur der Telekommunikationsanbieter. Die erste Variante ist teuer, die zweite ungenau, weil die Übermittlung durch den übrigen Datenverkehr gestört wird.

«Wir haben nun einen dritten Weg entwickelt», erläutert Fabian Mauchle, Projektverantwortlicher bei der Stiftung Switch, die das akademische Datennetz der Schweiz betreibt: Um Kosten tief zu halten, wird das bereits existierende Netz von Switch benutzt. Übermittelt wird aber nicht im C-​Band, das durch den Datenverkehr bereits stark belegt ist, sondern auf dem noch weitgehend freien L-​Band, das eine abweichende Grundfrequenz hat.

Präzision durch laufende Nachjustierung

Die Resultate zeigen nun gemäss einer Mitteilung vom Donnerstag, dass auch im L-​Band das Referenzsignal mit einer sehr guten Qualität übermittelt werden kann. Um die Störung durch den Datenverkehr zu vermeiden, hat Switch gewisse Modifikationen an der Netzinfrastruktur vorgenommen.

Es wurde ein Versuchsnetz aufgebaut, das den Sitz des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (Metas), der «Hüterin der Masseinheiten für die Schweiz» in Bern-Wabern, mit der Universität Basel und der ETH Zürich verbindet. Das Ausgangssignal, das über ein ausgeklügeltes Verfahren mit der Atomuhr von Metas synchronisiert wird, wird dabei über das Glasfasernetz von Switch nach Basel und Zürich übermittelt, wo es die Forschenden dann zum Kalibrieren ihrer Messgeräte verwenden können.

Um die Präzision hoch zu halten, wird die Übertragung laufend nachjustiert. «Bereits kleinste Längenveränderungen des Glasfaserkabels, etwa durch Erschütterungen oder Temperaturveränderungen, wirken sich auf die Frequenz aus», erläutert Jacques Morel, Leiter des Labors Photonik, Zeit und Frequenz bei Metas. Deshalb wird das Signal nach Bern zurückgespiegelt, wo das Ausgangssignal dann entsprechend korrigiert wird.

Auch das Cern soll profitieren

In einem nächsten Schritt geht es nun darum, das Netz weiter auszubauen und auch andere Institutionen in der Schweiz anzuschliessen, etwa das Cern in Genf, die EPFL oder die Universität Neuenburg. Auch auf internationaler Ebene wird eine Vernetzung angestrebt. Ziel ist es, einen länderübergreifenden Verbund aufzubauen, mit dem die Signale von verschiedenen Atomuhren miteinander verglichen werden können.