Atomuhren sind die genauesten Uhren, die des derzeit gibt. Sie messen allerdings nicht direkt eine Zeit, sondern eine Frequenz, also den Kehrwert der Zeit.
Das Messprinzip beruht darauf, einen Atomstrahl mit elektromagnetischen Wellen (d. h. Photonen) so anzuregen, dass die Atome in einen definierten höheren Quantenzustand übergehen, von dem aus sie unter Aussendung eines Photons der gewünschten Frequenz wieder zurück in den Grundzustand wechseln. Ein Rückkoppelkreis sorgt dafür, dass die einlaufende Welle exakt dieselbe Frequenz hat wie die ausgesendeten Photonen (dann ist das Ausgangssignal maximal).
Die Definition der Zeiteinheit Sekunde erfolgt über einen Übergang im Caesium-Atom, der einer Frequenz im Mikrowellenbereich (etw 9 GHz) entspricht. Noch genauer sind Atomuhren, die optische Übergänge ausnutzen (Frequenzen im THz-Bereich), etwa die Strontium-Uhr. Wenn eine solche Uhr seit dem Urknall gelaufen wäre, würde sie heute weniger als 1 s falsch gehen!