Das Team legt den Grundstein für künftige hochpräzise Timing-Verbindungen zu geosynchronen Satelliten

Letztes Jahr fuhren Wissenschaftler auf den Vulkan Mauna Loa auf Hawaii, richteten einen Laser auf einen Reflektor auf dem Haleakala-Gipfel auf Maui und strahlten schnelle Laserlichtimpulse durch 150 Kilometer turbulente Luft. Obwohl die Impulse außerordentlich schwach waren, demonstrierten sie eine von Physikern seit langem gesuchte Fähigkeit: die Übertragung äußerst präziser Zeitsignale durch die Luft zwischen weit entfernten Orten mit Leistungen, die mit zukünftigen Weltraummissionen kompatibel sind.

Die von einem Team unter Beteiligung von Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology (NIST) erzielten Ergebnisse könnten eine Zeitübertragung vom Boden auf 36.000 Kilometer entfernte Satelliten in einer geosynchronen Umlaufbahn ermöglichen, wo sie stationär über einem Punkt auf der Erdoberfläche hängen. Die Methode würde diese Zeitsynchronisation mit Femtosekunden-Präzision ermöglichen – 10.000-mal besser als die bestehenden hochmodernen Satellitenansätze. Es würde auch eine erfolgreiche Synchronisierung mit der absolut minimalen Zeitsignalstärke ermöglichen, was das System gegenüber atmosphärischen Störungen äußerst robust machen würde.

Die weitaus höhere Koordinierung von Arrays entfernter Geräte bietet mehrere interessante Möglichkeiten. Während die neuesten optischen Atomuhren außerordentlich präzise sind, erfordert der Vergleich von Uhren, die durch Kontinente getrennt sind, eine Signalmethode, die diese Präzision über große Entfernungen übertragen kann, und die aktuellen mikrowellenbasierten Methoden bieten nicht die erforderliche Genauigkeit.

Der neue Ansatz könnte es ermöglichen, optische Uhren auf gegenüberliegenden Seiten des Planeten ohne solche Nachteile über einen geosynchronen Satelliten zu verbinden und so die zukünftige Neudefinition der SI-Sekunde zu einem optischen Standard zu unterstützen. Die Verknüpfung optischer Atomuhren auf der ganzen Welt könnte auch zu einer Reihe grundlegender physikalischer Messungen führen, von der Erforschung der Dunklen Materie bis zur Prüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Nicht alle Möglichkeiten würden optische Atomuhren erfordern: Die Fähigkeit, eine Reihe weit voneinander entfernter Sensoren zu synchronisieren, könnte die Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI) für Anwendungen wie die verbesserte Abbildung von Schwarzen Löchern vorantreiben.

„Diese Art der verteilten kohärenten Erfassung wäre beispiellos“, sagte Laura Sinclair, Physikerin am NIST-Campus in Boulder und Autorin der Forschungsarbeit des Teams, die heute, am 21. Juni, in der Zeitschrift erscheint Natur. „Wir stellen uns vor, diese Sensorarrays zu verwenden, um in den Weltraum und auf die Erde zu blicken. Die Implementierung dieser Arrays hängt von der Verbindung hochpräziser optischer Uhren ab, und unsere Ergebnisse zeigen, dass wir jetzt über ein Werkzeug verfügen, das dazu in der Lage ist.“

Das Experiment zeigte, dass das von einer optischen Uhr bereitgestellte hochfrequente Zeitsignal von der neuesten Entwicklung des Teams, dem zeitprogrammierbaren Frequenzkamm, gesendet und empfangen werden kann, einer Innovation in der Frequenzkammtechnologie. Es sei dieser neuartige Frequenzkamm gewesen, der die Ergebnisse möglich gemacht habe, sagte Sinclair.

„Dank der erweiterten Funktionalität des zeitprogrammierbaren Frequenzkamms konnten wir diese Messungen durchführen“, sagte Sinclair. „Ohne sie hätten wir diese Ergebnisse nicht erzielen können.“

Ein Lichtstrahl, der von der Erde zur geosynchronen Umlaufbahn wandert, muss die oft wolkigen, aufgewühlten Schichten unserer Atmosphäre passieren. Um prinzipiell zu demonstrieren, dass das Signal einen Satelliten erreichen kann, ohne während der Übertragung verloren zu gehen, installierte das Team seinen neuartigen Frequenzkamm und einen Reflektor auf zwei 150 km voneinander entfernten Bergen: hoch oben an der Flanke des Mauna Loa und auf dem Gipfel des Haleakala in Hawaii. Das Senden des zeitlich programmierbaren Frequenzkammlichts an Haleakala und der Empfang der Reflexion zeigten, dass das Signal viel mehr atmosphärische Probleme durchdringen kann, als es auf dem Weg in die geosynchrone Umlaufbahn treffen würde.

Der Hin- und Rückflug gelang nicht nur, sondern sogar bei der minimalen Signalstärke, die zum Synchronisieren von Geräten erforderlich ist – eine Intensität, die Physiker als „Quantengrenze“ bezeichnen. Wie sie hereinkamen ihre In früheren Arbeiten ist der zeitprogrammierbare Frequenzkamm der Forscher in der Lage, an dieser Quantengrenze zu arbeiten, bei der weniger als ein Photon von einer Milliarde sein Zielgerät erreicht. Es funktionierte sogar, als der Laser nur 40 Mikrowatt Leistung aussendete, also etwa 30 Mal weniger als ein Laserpointer. (Die Impulse des Frequenzkamms sind Infrarotlicht, das für das bloße Auge unsichtbar ist.)

„Wir wollten das System an seine Grenzen bringen und haben gezeigt, dass man ein hohes Leistungsniveau beibehalten und gleichzeitig eine Sendeleistung und Aperturgröße verwenden kann, die für zukünftige Satellitensysteme realistisch sind“, sagte Sinclair. „Die Robustheit dieses Systems, nicht nur dann gut zu funktionieren, wenn wir weniger als ein Milliardstel des von uns gesendeten Lichts empfangen, sondern auch, wenn sich die Lichtmenge, die wir verlieren, schnell ändert, ist ein gutes Zeichen für die Bildung des Timing-Rückgrats zukünftiger Sensornetzwerke.“

Mit Blick auf die Zukunft arbeitet das NIST-Team daran, die Größe, das Gewicht und die Leistung seines Systems zu reduzieren und es an die Arbeit mit beweglichen Plattformen anzupassen.