Von allen Atomen hat das Wasserstoffatom den einfachsten Aufbau, da es nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. Dadurch ist es im Rahmen der Quantenelektrodynamik möglich, die atomaren Anregungsfrequenzen des Wasserstoffs mit sehr hoher Genauigkeit zu berechnen. Ein Vergleich der theoretischen Resultate mit den Ergebnissen von Präzisionsmessungen gestattet es, einerseits die Theorie zu überprüfen und andererseits Naturkonstanten wie die Rydberg-Konstante mit großer Präzision zu bestimmen. Solch eine grundlegende Präzisionsmessung hatten die Diplomphysiker Thomas Andreae, Wolfgang König und Dietrich Leibfried sowie Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler und Dr. Robert Wynands am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching durchgeführt. Für ihre Arbeit erhielten sie den Helmholtz-Preis 1993 im Bereich „Präzisionsmessung physikalischer Größen“.

Die fünf Wissenschaftler aus einer Arbeitsgruppe von Theodor Hänsch maßen die Frequenz f_1S-2S des Übergangs vom Grundzustand 1S in den metastabilen Zustand 2S. Diese bei 2466 THz liegende Frequenz lässt sich sehr genau bestimmen, da die natürliche Linienbreite des Übergangs nur 1,3 Hz beträgt. Die Messung erfolgte in drei Schritten. Zuerst wurde der 1S-2S-Übergang mit Hilfe eines frequenzverdoppelten abstimmbaren Farbstofflasers durch Zweiphotonenanregung induziert. Dann wurde der Übergang nachgewiesen, indem man dem metastabilen 2S-Zustand mit Hilfe eines schwachen elektrischen Feldes den kurzlebigen 2P-Zustand beimischte und die spontane Emission der Resonanzlinie beobachtete. Schließlich wurde die Übergangsfrequenz indirekt mit der eines Cäsium-Standards verglichen. Dazu machten sich die Forscher zunutze, dass die Frequenz f eines methanstabilisierten Helium-Neon-Lasers und die Frequenz f_1S-2S ungefähr im Verhältnis 1 : 28 stehen.

Zur Messung von f_1S-2S wurde über eine Frequenzkette die siebte Harmonische 7f erzeugt. Sie wurde anschließend über einen Referenzresonator mit der Frequenz f_L = 7f – Δf des Farbstofflasers verglichen, der nach Frequenzverdopplung den 1S-2S-Übergang durch einen Zweiphotonenprozess resonant anregte: f_1S-2S = 28f – 4Δf. Durch Auszählen von Δf wurde schließlich die gesuchte Frequenz f_1S-2S ermittelt: f_1S-2S = 2 466 061 413,182(45) MHz mit einer relativen Unsicherheit von 1,8 ∙ 10^–11, die 18-mal kleiner war als die Unsicherheit früherer Messungen.

Mit Hilfe der Theorie lassen sich aus dieser Übergangsfrequenz auch andere Anregungsfrequenzen des Wasserstoffatoms mit vergleichbarer Präzision angeben und als sekundäre Frequenzstandards festlegen. Außerdem konnten die Preisträger einen verbesserten Wert für die Rydberg-Konstante ermitteln: R_∞ = 109 737,315 684 1(42) cm^–1. Im Jahr 2011 haben Forscher um Theodor Hänsch die Frequenz des 1S-2S-Übergang mit einer relativen Unsicherheit von 4,2 ∙ 10^–15 gemessen, wobei sie die inzwischen entwickelten Frequenzkämme nutzen konnten.