Der kälteste Ort im Universum

Das Aquark-Team an Bord der HMS Pursuer. Bildnachweis: Aquark

Ein britisches Unternehmen hat mithilfe der Quantentechnologie seiner Atomuhr eine Temperatur von minus 273,149996 °C erreicht und damit den kältesten Ort im Universum geschaffen. Es handelt sich um eine Hightech-Lösung für ein uraltes Problem: die präzise Navigation auf See ohne Satellitenunterstützung.

Alexander Jantzen, Mitbegründer und Chief Operating Officer von Aquark Technologies, erklärt: „Anfang des 18. Jahrhunderts war die Bestimmung des Breitengrades bei der Navigation durch Beobachtung der Position bekannter, weit entfernter Sterne über dem Horizont längst bekannt, die Bestimmung des Längengrades hingegen war ein gefährliches Rätsel. Das Längenproblem rührt daher, dass sich unsere Erde dreht und wir auf See keinen festen Bezugspunkt zum Vergleich haben.“

Die Lösung für dieses Problem kam 1735, als John Harrison den ersten praktischen Marinechronometer entwickelte.

„Die Lösung für präzise Navigation war – und ist – die genaue Zeitmessung“, sagt Jantzen. „Harrison löste das Längenproblem und zeigte, wie eine genaue Positionsbestimmung mit dem Chronometer (dem damals zuverlässigsten Zeitmesser) möglich war. Er verglich die Zeit von einem bekannten Ort – beispielsweise dem Abfahrtsort des Schiffes – mit der Tageszeit am aktuellen Standort des Schiffes. Die Kenntnis der Zeitdifferenz zum Mittag ermöglichte es dem Schiff, seine Längenposition präzise zu bestimmen.“

In den 1980er Jahren machten Satellitennavigationssysteme im Globalen Navigationssatellitensystem (einschließlich GPS) Chronometer für die praktische Navigation weitgehend überflüssig, da die für eine genaue Navigation benötigten Zeitsignale nun größtenteils von Atomuhren auf GNSS-Satelliten stammten.

Bei einer GNSS-Störung bieten Atomuhren eine zuverlässige Überbrückung und liefern ein stabiles Zeitsignal, bis der GNSS-Zugriff wiederhergestellt ist, da sie ein hochpräzises, zuverlässiges und kontinuierliches Ticken liefern, das nicht gestört werden kann.

„Auf See ist die Erkennung von Spoofing-Angriffen nur so gut wie die Zeitreferenz. Brückensysteme benötigen eine präzise Referenzquelle. Im Normalbetrieb takten die PNT-Systeme (Position, Navigation und Zeitmessung) eines Schiffes mit einer Atomuhr. Wird ein GNSS-Empfänger jedoch manipuliert, beschleunigt sich seine Zeitmessung im Verhältnis zum Referenztakt. Dies kann zu unzuverlässigen Positionsdaten und gefährlichen Navigationsfehlern führen, wenn die Manipulation unentdeckt bleibt“, erklärt Jantzen.

„PNT-Resilienz kann erreicht werden, wenn das System eine Lücke zwischen den Takten der Atomuhr und des GNSS erkennt. Das System kann während eines Spoofing-Angriffs auf das Zeitsignal der Atomuhr umschalten und kehrt zum GNSS zurück, sobald die Zeitlücke geschlossen ist.“

„Die besten Präzisionszeitmesssysteme messen heute die natürlichen und stabilen Frequenzeigenschaften von Atomen, wie sie von der Quantenmechanik definiert werden, und nutzen diese, um Abweichungen von einem Sollwert, typischerweise einem 10-MHz-Oszillator, zu korrigieren“, erklärt Jantzen. „Um höchste Genauigkeit zu erzielen, muss man das Atom so lange wie möglich ungestört beobachten können, um Rauschen zu eliminieren und zufällige Schwankungen auszugleichen. Bei Aquark erreichen wir dies durch Laserkühlung der Atome nahe dem absoluten Nullpunkt.“

Bei der von Aquark erreichten extremen Temperatur lässt sich der natürliche Quantentakt des Atoms über längere Zeiträume messen, da die natürliche Bewegung der Atome um fast den Faktor 10.000 von 290 m/s auf 34 mm/s verlangsamt wird. Die Frequenz der Uhr wird kontinuierlich mit der Atomfrequenz verglichen und bei Bedarf automatisch korrigiert. Dadurch wird ihre Langzeitdrift reduziert, ohne dass eine Korrektur durch das üblicherweise von GNSS gelieferte Zeitsignal erforderlich ist.

Die AQlock ist die erste kommerziell erhältliche Atomuhr, die in Großbritannien gebaut wurde. Bildnachweis: Aquark

Im Juni 2025 ging Aquark eine Partnerschaft mit der Royal Navy ein, um AQlock an Bord der HMS Pursuer für einen dreitägigen Seetest einzusetzen. Dieser Test war der erste seiner Art und prüfte die Stabilität von AQlock unter Bedingungen hoher See. Während der Tests arbeitete die Atomuhr kontinuierlich und lieferte präzise Zeitangaben ohne GNSS-Korrektur, obwohl sie den ständigen Stampf- und Rollbewegungen des Schiffes ausgesetzt war.

Aquark hat den ersten Unterwassertest seiner AQuest-Kaltatomfalle an Bord des autonomen Unterwasserfahrzeugs Autosub Long Range des National Oceanography Centre durchgeführt. Bildnachweis: Aquark

Aquark führte außerdem den ersten Unterwassertest seiner AQuest-Kaltatomfalle, einer Schlüsselkomponente von AQlock, unter dynamischen Bedingungen an Bord des autonomen Unterwasserfahrzeugs Autosub Long Range des National Oceanography Centre durch. Die gesammelten Daten lieferten Leistungskennzahlen zum Verhalten und zur Robustheit des Systems bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken.

„Das Besondere an diesem Versuch ist, dass die Laserkühlung von Atomen bisher nur möglich war, wenn ein System sorgfältig von den meisten äußeren Störungen isoliert war, was an Land schon eine große technische Herausforderung darstellt. Es war daher ein Erfolg, unsere Kerntechnologie – die Super-Melasse-Falle – unter Wasser funktionieren zu sehen, um ultrakalte Atomwolken zu erzeugen.“

Die 2019 an der Universität Southampton entdeckte Super-Melasse-Falle, die von AQlock verwendet wird, vereinfacht das bewährte Verfahren zur Erzeugung kalter Atome erheblich. Sie benötigt lediglich die richtige Geometrie des Laserlichts und ein Ultrahochvakuum (Druck wie im Weltraum). Ihre Besonderheit liegt darin, dass sie kein Magnetfeld benötigt.

Die Bedeutung dieser Entwicklung für die Ingenieurwissenschaften lässt sich kaum überschätzen, da sie die Systemkomplexität um etwa 50 % reduziert, so Jantzen. Sie verändert grundlegend die Art und Weise, wie Atome genutzt werden, und ebnet den Weg für eine Alternative zu dem Ansatz, der das gesamte Gebiet fast vier Jahrzehnte lang geprägt hat.

„Die Super-Melasse-Falle ermöglicht es uns, Größe, Gewicht, Kosten und Stromverbrauch von Quantensensorsystemen zu reduzieren.“

Das war bisher die größte Herausforderung für Atomuhren. Je präziser sie sind, desto größer werden sie. Hochleistungsfähige und konventionelle Kaltatomsysteme, wie beispielsweise magneto-optische Fallen, sind nach wie vor sperrig, teuer und außerhalb von Laborumgebungen unpraktisch.

Aquark kommt seinem Ziel, die weltweite Abhängigkeit von GNSS in den Bereichen Betrieb, Infrastruktur, Telekommunikation, Finanzen, Transport und vielen anderen Sektoren zu reduzieren, immer näher. „Die Technologie der kalten Materie ist das Herzstück unserer Arbeit – und Zeitmessung ist nur eine ihrer Anwendungen. Mit der zukünftigen Nachfrage und Innovationen wird Aquark gut aufgestellt sein, um Geräte der kalten Materie zu entwickeln, die das gesamte Spektrum potenzieller Anwendungen abdecken. Dazu gehören beispielsweise Gravitationssensoren für fortschrittliche Navigation, Unterwassererkundung und Umweltüberwachung sowie neue Technologien in der Hochfrequenz- und Trägheitskraftmessung.“

„Heute besteht ein klarer Bedarf an Resilienz, wir glauben jedoch, dass der größte Nutzen der Technologie in den noch zu realisierenden Anwendungen liegt.“

„Die Lösung für präzise Navigation war – und ist – exakte Zeitmessung.“ (Quelle: Aquark)