Die Metrologische Generalkonferenz (General Conference on Weights and Measures) hat optische Uhren basierend auf einzelnen Yterbium-Ionen als alternative Repräsentation der Zeiteinheit Sekunde vorgeschlagen. Im Vergleich zu optischen Uhren basierend auf Ensembles von Neutralatomen (z.B. Strontium in optischen Gittern) scheint die Yb-Ionenuhr derzeit robuster und zuverlässiger. Im Antrag, der die obige Beschaffung begründet, wurde sich daher auf diese Technologie festgelegt.

Kommerziell wird eine solche Yb-Ionenuhr europaweit – nach dem allgemeinen Kenntnisstand – nur von einem einzigen Anbieter (Toptica Photonics) angeboten. Das Produkt wurde im Rahmen des Projekts „Opticlock“ (EFTF-IFCS mit Finanzierung durch die deutsche Bundesregierung von einem breiten Konsortium von Firmen, Bundesbehörden, und Forschungseinrichtung im Zeitraum 2017-2021 entwickelt. Dabei war Toptica Photonics Projektkoordination, die Überführung in ein kommerzielles Produkt war von Anfang an Teil des Konzepts. Eine für die Endnutzer weiterentwickelte Version wird nun als „ToptiClock“ vertrieben und soll hier angeschafft werden.

Technische Anforderungen:

Die Anforderungen an das zu beschaffende optische Referenzsystem sind:

Ausgang: optische Referenzfrequenz im Infrarotbereich (e.g. 871 nm), fasergekoppelt (SM, 10m)

Referenzsignal abgeleitet vom 435,5 nm Yb+ E2 Übergang

Ausgangsleistung >1 mW

Stabilität als relative Frequenz-Unschärfe, „best effort“, aber mindestens

5 × 10-15 nach 1 Sekunde Mittelung

1 × 10-15 nach 100 Sekunden Mittelung

<1 × 10-16 bei optimaler Mittelung (Minimum Allen Varianz)

Absolute Frequenzgenauigkeit, „best effort“, aber mindestens

<1 × 10-16 bei optimaler Mittelung

Weitere Anforderungen an das System

Vollautomatisches, 19-Zoll-Rack-basiertes System

Aufstellbar in typischer Labor-Infrastruktur, realisierbar am BEV

Möglichkeit der Remote-Steuerung des Systems

Vollständige Dokumentation

Transport, Installation und Einweisung durch den Hersteller

12 Monate Garantie

Einverständnis mit unabhängiger Überprüfung der o.g. Stabilitätsparameter durch ein unabhängiges qualifiziertes Prüfinstitut (z.B. Physikalisch-Technische Bundesanstalt) vor Überweisung der 3. Rate

Lieferzeit (inkl. o.g. Abnahme durch unabhängigen Prüfdienst) <30 Monate

Ergebnis der Sondierung

Die Sondierung erfolgte in folgenden Schritten:

Internetrecherche

Telefon-Interview mit Experten von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB - Braunschweig-Deutschland)

Telefon-Interview mit Experten vom Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV – Wien, Österreich)

Die Sondierung ergab zweifelsfrei, dass europaweit (nach bestem Wissen und Gewissen auch weltweit) lediglich ein Hersteller (Toptica Photonics, Gräfelfing, Deutschland) eine optische Yb+ Ionenuhr kommerziell anbietet. Dies ergibt sich direkt aus dem oben beschriebenen Förderungsprojekt der deutschen Bundesregierung mit dem expliziten Ziel, ein solches Produkt zu schaffen. Die Projektziele und erreichte Performance sind in der folgenden Publikation zusammengefasst.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917421002270?via%3Dihub

Aufgrund der Tatsache, dass weltweit lediglich ein Anbieter die erforderlichen Geräte kommerziell vertreibt, fiel die Wahl auf Toptica Photonics, Gräfelfing, Deutschland.