Bereits die alten Inka nutzten Knoten zum Speichern von Informationen. Dank einer über Jahrtausende bewährten Knotenschrift namens Quipu konnten sie komplexe Information festhalten und über große Strecken transportieren. Auch in der Quantenwelt sollten verknotete Zustände existieren, die sich besonders für die Anwendung in empfindlichen Quantencomputern eignen könnten. Denn ihre topologischen Eigenschaften machen sie besonders stabil. Allerdings wurde ihre Existenz zwar schon seit Jahrzehnten von Theoretikern vorausgesagt – doch bislang widersetzten sich die komplizierten Quantenknoten einer experimentellen Realisierung.

Nun jedoch ist es einem Forscherteam um Mikko Möttönen von der finnischen Aalto-Universität erstmals gelungen, solche Quantenknoten auch tatsächlich zu knüpfen. Sie nutzten hierzu einen speziellen Materiezustand, das so genannte Bose-Einstein-Kondensat. Wenn bestimmte Teilchen tief genug gekühlt werden, gehen sie in diesen Aggregatzustand über, bei dem sich alle Teilchen im selben Quantenzustand befinden und dadurch ununterscheidbar sind. Alle Teilchen sind dann vollständig delokalisiert. Diesen eigentümlichen Materiezustand realisierte das Forscherteam mit Hilfe einer kleinen Wolke aus Rubidiumatomen, die sie mit einer optischen Falle einsperrten und bis knapp über den absoluten Temperaturnullpunkt abkühlten.

Dann legten die Forscher ein externes Magnetfeld an und veränderten es so rasch, dass das Bose-Einstein-Kondensat keine Zeit zum Reagieren hatte, um sich als Ganzes darauf einzustellen. Derart angestoßen, rotierten die Magnetfelder der Rubidiumatome im Kondensat natürlich weiter, wobei sich ihre Orientierung verschob. Dadurch entstanden verschachtelte Wellenpakete, die stabile Knoten bildeten. Diese Magnetfeldtechnik ist bereits seit einigen Jahren bekannt und wurde etwa zur Erzeugung künstlicher magnetischer Monopole eingesetzt. Zum Knüpfen von Quantenknoten mussten die Forscher die Technik aber weiter verfeinern, denn das Kondensat reagiert hierbei auch auf die kleinste Störung extrem empfindlich. "Es hat uns viel Mühe gekostet, alle Quellen störender Magnetfelder zu finden und zu eliminieren", sagt Möttönen. "Schon eine vergessene Schere auf dem Labortisch kann das Experiment zum Scheitern bringen."

Mittlerweile konnten die Forscher einige Hundert solcher Knoten erzeugen. Die Quantenknoten entsprechen ineinander verschlungenen Ringen und sind dadurch topologisch stabilisiert. Im Gegensatz zu einem Knoten, den man in ein Seil knüpft, lassen sich solche topologischen Knoten nicht wieder lösen. Bei einem Seil hat man zwei offene Enden, mit denen man einen Knoten wieder lösen kann. "Unsere Knoten sind wie Knoten in einem Seil, bei denen die Enden des Seils zusammengeklebt sind", so Möttönen. Die Quantenknoten im Rubidiumkondensat lassen sich also nur verschieben oder noch enger zuziehen, aber nicht lösen.

Beliebig langlebig sind sie aber auch nicht. Sie entstehen zwar in weniger als einer Millisekunde. Aber der spezielle Zustand des Rubidiumkondensats, in dem die Quantenknoten existieren, ist nur rund 100 Millisekunden lang stabil. Dann kommt die magnetische Ordnung im Kondensat durcheinander, und die Knoten lösen sich auf.

In anderen Medien war es schon gelungen, Knoten zu knüpfen. So konnten Forscher vor einigen Jahren Knoten in einem Lichtfeld erzeugen. Laut einigen Computersimulationen könnten verknotete Magnetfelder in einem Plasma sogar zu neuen Konzepten für Fusionsreaktoren führen – auch wenn viele Forscher dies auf Grund der Turbulenzen in heißem Plasma für schwer realisierbar halten. Am ehesten dürften sich Quantenknoten technologisch für den Einsatz in Quantencomputern anbieten, weil sie dank ihrer topologischen Eigenschaften besonders stabil sind. Dann könnte die Idee der Inka, die Stabilität von Knoten zur Informationsübertragung zu nutzen, sich auch in hochmoderner Technologie wiederfinden.