Hochpräzise Frequenz für die Forschung

SWITCH transportiert auf ihrem Netzwerk nicht nur Daten, sondern bald auch eine hochpräzise Frequenz der METAS in Bern in die Forschungslabors der Universität Basel und der ETH Zürich.

Text: Ernst Heiri, publiziert am 27.09.2019

Die gute alte Kirchturmuhr hat ein hin und her schwingendes Pendel und die moderne Armbanduhr einen oszillierenden Quarz. Doch die Referenzuhr der Schweiz, FoCS-2 des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (METAS), verwendet die Schwingungen von Cäsium-Atomen als Basis für die Zeitmessung. Die Genauigkeit dieser Messung ist so hoch, dass eine Zeitabweichung von einer Sekunde erst nach 30 Millionen Jahren auftreten würde.

Referenz für neue Experimente

Diese hochpräzise Schwingung – wir verwenden hier auch den Begriff Frequenz – wollen Physiker als Referenz für neue Experimente nutzen. Im Rahmen eines Projekts des Schweizerischen Nationalfonds soll nun diese Frequenz zur Universität Basel und zur ETH Zürich übertragen werden. Die Forschenden erhoffen sich davon neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Molekülspektroskopie, bei der Entwicklung neuer Laser-Techniken und bei der Weiterentwicklung der Frequenzmesstechnik in der Metrologie.

Glasfasern ermöglichen präzise Übertragung

Aber wie kommt die genaue Frequenz der METAS von Bern in die Forschungslabors in Basel und Zürich? Nur mit Glasfasern ist dies mit der erforderlichen Präzision möglich. Natürlich könnten dafür extra 200 Kilometer Glasfasern gemietet werden. Aber die Forschenden möchten das knappe Geld lieber für die teure Ausrüstung ihrer Labors verwenden.

Hier kommt SWITCH ins Spiel. Schliesslich basiert unser Netzwerk SWITCHlan auf Glasfasern, und wir betrachten es als unsere Aufgabe, unsere teure Infrastruktur und unser Know-how den Forschenden zur Verfügung zu stellen. Einzige Einschränkung ist natürlich, dass dabei der stabile Betrieb und die zukünftige Entwicklung unserer Netzwerkdienste nicht beeinträchtigt werden.

Diese Einschränkung ist zwar unbestritten, die Umsetzung aber leider nicht trivial. Denn alle Signale, die mit Glasfasern über lange Distanzen übertragen werden, verwenden infrarotes Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 1530 – 1570 Nanometern. Die Mitte dieses Bereichs nutzen wir bereits für unsere Netzwerkdienste. Am Rand ist jedoch noch genügend Platz frei für weitere Anwendungen.

Auf der richtige Wellenlänge

Die erste Herausforderung dieses Projekts war, eine geeignete Wellenlänge zu finden, zu der auch die passenden Laser, Verstärker und Filter beschafft werden konnten.

Die zweite Herausforderung war die hohe Anforderung an die Stabilität der Übertragung. Selbst kleinste Erschütterungen oder Temperaturschwankungen beeinflussen das Signal in der Glasfaser. Die Lösung: Diese kleinen Abweichungen werden vom Sender laufend kompensiert, indem ein vom Empfänger reflektiertes Signal ausgewertet wird. Dabei müssen sowohl das gesendete wie auch das reflektierte Signal über die gleiche Glasfaser übertragen werden.

Sehr wichtig in diesem Projekt ist zudem, dass das Referenzsignal später auch von anderen Forschenden genutzt und mit anderen Europäischen Zeitreferenzen verglichen werden kann.

Diese innovative Anwendung ist ein gutes Beispiel, dass wir unsere Rolle als akademisches Netzwerk ernst nehmen und die Forschungsgemeinde in der Schweiz auch bei Projekten unterstützen, die für uns Neuland sind.

Über den Autor
Ernst   Heiri

Ernst Heiri

Ernst Heiri studierte Informatik an der ETH Zürich. Er arbeitet seit 1995 bei SWITCH. Heute ist er zuständig für die Planung und die Inbetriebnahme neuer Glasfaserverbindungen. Sein Interesse gilt dem Engineering und Betrieb optischer Netzwerk-Infrastrukuren.

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Die ultrapräzise Sekunde

Das Primärfrequenznormal FoCS-2 realisiert die Sekunde durch die Bestimmung der Übergangsfrequenz von Cäsiumatomen. Diese werden zuerst mit Laserstrahlen abgebremst, d.h. auf tiefste Temperaturen von wenigen Mikrokelvin heruntergekühlt. Dann werden die kalten Atome in einem kontinuierlichen Strahl auf einen Parabelflug geschickt, um die Übergangsfrequenz in der Mikrowellenkavität zu bestimmen. FoCS-2 realisiert die Sekunde mit einer relativen Messunsicherheit von 10-15, das entspricht einer Gangabweichung von einer Sekunde in 30 Millionen Jahren.

Infografik FoCS-2

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