Wie Singapurs Lutetium-Atomuhr eine Unsicherheit von 10⁻¹⁹ erreicht

Eine Atomuhr braucht mehr als einen gleichmäßigen Takt: Das Forschungsteam muss auch beziffern, wie stark die Umgebung diesen Takt verschieben kann. Am Centre for Quantum Technologies der National University of Singapore hat Murray Barretts Gruppe eine optische Lutetium-Uhr entwickelt, für die sie eine relative Frequenzunsicherheit nahe 1 × 10⁻¹⁹ angibt. Das am 23. September 2026 in Nature veröffentlichte Ergebnis bezeichnet das Team als die bislang höchste berichtete Genauigkeit einer optischen Atomuhr.306

Ein Ion als Taktgeber

Im Zentrum steht ein einzelnes elektrisch geladenes Lutetium-176-Ion. Ein Laser tastet einen atomaren Übergang bei 848 Nanometern ab; dessen Frequenz dient als Referenz der Uhr. Die schnelle optische Schwingung allein macht die Messung jedoch noch nicht genau. Elektromagnetische Felder und Wärmestrahlung können die Frequenz verändern.72521

An der Kontrolle solcher Einflüsse arbeitet die Gruppe seit Jahren. Bereits ein Forschungsplan von 2015 nannte die Hyperfein-Mittelung als Ansatz für Lutetium: Statt nur einen inneren Atomzustand heranzuziehen, werden Messungen über verwandte Zustände kombiniert. Dadurch können sich bestimmte zustandsabhängige Frequenzverschiebungen gegenseitig aufheben. Später demonstrierte das Team diese Mittelung mithilfe dynamischer Entkopplung an einer Lutetium-Uhr mit mehreren Ionen.29152

Andere Störungen müssen gesondert untersucht werden. So maß und unterdrückte die Gruppe 2019 Frequenzunterschiede zwischen den Ionen einer Drei-Ionen-Uhr, darunter Effekte im Zusammenhang mit elektrischen Quadrupolmomenten. Auch Verschiebungen durch Wärmestrahlung und elektrische Feldgradienten sind Gegenstand der Lutetium-Forschung. Das bedeutet nicht, dass die Uhr gegen jede Änderung ihrer Umgebung unempfindlich wäre.1821

Warum zwei Zahlen zum Rekord gehören

Die rund 1 × 10⁻¹⁹ beziehen sich auf die angegebene relative Frequenzunsicherheit der Uhrenreferenz. Zusätzlich verglich das Team zwei unabhängig gebaute Einzelionen-Uhren und berichtete dafür eine Unsicherheit von 5,7 × 10⁻¹⁹. Der Vergleich prüft, ob die Uhren übereinstimmen. Sein höherer Unsicherheitswert ist keine andere Angabe für die Genauigkeit einer einzelnen Uhr.6524

Für Vergleiche von Lutetium-Frequenzreferenzen hat die Gruppe Korrelationsspektroskopie eingesetzt. Sie verringert den Einfluss von Rauschen des Abfragelasers auf den Vergleich, sodass sich kleine Unterschiede zwischen Uhren besser erkennen lassen. Eine systematische Verschiebung, die beide Uhren gleichermaßen betrifft, schließt die Methode für sich genommen nicht aus. In der ursprünglichen Frage ist von einem 200-stündigen Vergleich die Rede; die vorliegenden Quellenauszüge belegen dessen Dauer und vollständiges Unsicherheitsbudget jedoch nicht unabhängig.2628

Auch die Formulierung, die Uhr würde in mehr als 260 Milliarden Jahren weniger als eine Sekunde vor- oder nachgehen, ist eine Veranschaulichung – keine Beobachtung über diesen Zeitraum. Bei einem konstanten relativen Fehler von 1 × 10⁻¹⁹ ergibt die Rechnung ungefähr eine Sekunde in 317 Milliarden Jahren; bei 1,2 × 10⁻¹⁹ sind es etwa 264 Milliarden Jahre. In Berichten erscheinen beide Unsicherheitsangaben, weshalb die Zahl vom jeweils verwendeten Wert abhängt.64

Was jetzt noch zählt

Eine genauere optische Referenz könnte zu einer künftigen Neudefinition der Sekunde beitragen. Ein Ergebnis aus einem Labor allein zeigt aber noch nicht, dass sich die Leistung andernorts reproduzieren lässt, und entscheidet auch nicht, welcher atomare Übergang künftig als Standard dienen sollte. Die vorliegenden Belege bestätigen keinen offiziellen Zeitplan dafür.3024

Bei dieser Genauigkeit wird sogar der Standort Teil der Messung: Nahe der Erdoberfläche entspricht ein Höhenunterschied von einem Millimeter einer gravitationsbedingten relativen Frequenzverschiebung von ungefähr 1,1 × 10⁻¹⁹. Wer Uhren an verschiedenen Orten vergleicht, muss daher auch den Unterschied ihres Gravitationspotenzials kennen. Eine transportable Version müsste zudem nach jedem Ortswechsel erneut zeigen, dass Ion, Laser und Umwelteinflüsse ausreichend kontrolliert bleiben.521