Bei Silizium-Spin-Qubits wird ein einzelnes Elektron in einem winzigen, elektrisch erzeugten Käfig innerhalb eines Silizium-Chips gefangen, einem sogenannten Quantenpunkt, der Ansatz hinter Intels Forschungschip Tunnel Falls. Dieser Käfig entsteht nicht durch ein besonderes Material, sondern einfach durch Spannungen, die an nanoskaligen Elektroden auf der Chipoberfläche angelegt werden, im Prinzip dieselbe Grundtechnik, mit der auch normale Computerchips gefertigt werden, nur in viel kleinerem Maßstab und bei sehr tiefen Temperaturen.
Das Qubit ist dabei nicht das Elektron selbst, sondern sein Spin, vereinfacht gesagt die Richtung, in die eine winzige, dem Elektron innewohnende Kompassnadel zeigt. Zwei mögliche Ausrichtungen entsprechen „0“ und „1“. Um zwei benachbarte Elektronen-Spins zu einem Rechengatter zu koppeln, nutzt man den sogenannten Austausch-Effekt: Bringt man zwei Elektronen nah genug zusammen, beeinflussen sich ihre Spins gegenseitig auf eine Weise, die sich gezielt für Gatteroperationen nutzen lässt.
Der Unterschied: Chip-Fertigung statt Naturteilchen
Silizium-Spin-Qubits nutzen praktisch dieselbe Fertigungstechnik (CMOS-Prozesse) wie gewöhnliche Computerchips, nur mit einzelnen Elektronen statt Millionen. Das unterscheidet sie sowohl von supraleitenden Schaltkreisen, einer eigenen spezialisierten Chip-Technologie, als auch von Ionenfallen oder Photonik, wo es keinen Chip im klassischen Sinn gibt. Der große Reiz: Theoretisch ließen sich damit bestehende, riesige Chipfabriken für Quantenhardware nutzen, statt komplett neue Fertigungslinien aufzubauen. Eine Einordnung aller sechs Bauweisen gibt es auf der Vergleichsseite und im Grundlagenartikel Was ist eigentlich ein Qubit?
Von der Theorie 1998 zu Intels Tunnel Falls
1998 schlugen die Physiker Daniel Loss und David DiVincenzo theoretisch vor, den Spin eines einzelnen Elektrons in einem Halbleiter-Quantenpunkt als Qubit zu nutzen, mit Zwei-Qubit-Gattern über die Austauschwechselwirkung. Dieser Vorschlag gilt bis heute als das theoretische Grundgerüst für Quantenpunkt-Spin-Qubits. Im selben Jahr schlug Bruce Kane einen verwandten, aber anderen Ansatz vor, Phosphor-Donatoren in Silizium, beide Vorschläge setzten früh auf die Idee, Siliziums riesige industrielle Fertigungsbasis für Quantenhardware zu nutzen. Der Loss-DiVincenzo-Vorschlag lag einige Jahre vor den ersten Experimenten, die tatsächlich ein einzelnes Elektron in einem gate-definierten Quantenpunkt einfingen, und noch mehr Jahre vor der ersten kohärenten Manipulation eines einzelnen Spins in einem Halbleiter, ein ungewöhnlich langer Weg von der Theorie zum ersten Experiment. Ein exaktes Jahr lässt sich für diese frühen Experimente nicht an einem einzelnen Datum oder Paper festmachen, weshalb die Angabe hier bewusst ungefähr bleibt.
2018 baute Intel seine erste eigene Silizium-Spin-Qubit-Fertigungslinie auf, mit Standard-Transistor-Prozesstechniken, um Quantenpunkt-Bauteile in einer Größenordnung kleiner als ein Radiergummi herzustellen. Im Juni 2023 stellte Intel Tunnel Falls vor, einen 12-Qubit-Forschungschip, gefertigt auf 300-mm-Wafern und an akademische Partner zur Charakterisierung verteilt, ausdrücklich kein kommerzielles Produkt, sondern eine Plattform zum Benchmarking von Qubit-Verhalten und zur Verfeinerung von Steuerungstechniken. Im Januar 2026 wurde Tunnel Falls ans Argonne National Laboratory ausgeliefert und dort in Betrieb genommen.
Vorteile und der Rückstand in der Praxis
Der Ansatz nutzt bestehende 300-mm-Chipfabriken statt Spezialanlagen, theoretisch ein einfacherer Weg zu sehr großen Stückzahlen, weil keine komplett neue Fertigungsinfrastruktur nötig ist. Die Betriebstemperatur liegt bei 1 bis 4 Kelvin, deutlich höher als bei supraleitenden Schaltkreisen mit ihren Millikelvin, was eine günstigere, weniger aufwendige Kühlung erlaubt. Die Bauweise ist zudem sehr kompakt, Qubits sind deutlich kleiner als supraleitende oder Ionenfallen-Qubits, theoretisch könnten Millionen davon auf einem einzigen Chip Platz finden. Bei bestimmten Varianten, Löcher statt Elektronen mit starker Spin-Bahn-Kopplung, ist sogar rein elektrische statt Mikrowellen-Steuerung möglich, was weniger Hardware braucht und weniger Wärme einträgt.
Dem steht ein deutlich geringerer Reifegrad gegenüber: Während bei supraleitenden Schaltkreisen und Ionenfallen bereits Dutzende Qubits gekoppelt und kleine Algorithmen gezeigt wurden, arbeiten Silizium-Spin-Systeme bislang meist mit 1 bis 12 Qubits in akademischen Forschungslabors. Große Variabilität von Bauteil zu Bauteil, unterschiedliche Ladungsenergien, Tunnelkopplungen und lokale Magnetfeldumgebungen in den Quantenpunkten, bleibt das zentrale Hindernis für die Skalierung. Und ein kommerziell verfügbares System gibt es nicht, Intels Tunnel Falls ist ausdrücklich ein Forschungs- und Benchmark-Chip für Forschungspartner, kein Produkt zum Kauf oder zur Cloud-Nutzung.
Aktuell liefert Intel mit Tunnel Falls also weiterhin nur diesen 12-Qubit-Forschungschip, seit Januar 2026 in Betrieb am Argonne National Laboratory. Ein kommerziell verfügbares System gibt es weiterhin nicht, an diesem Stand hat sich seither nichts Wesentliches geändert. Weitere Einordnung in der Hersteller-Übersicht und auf der Vergleichsseite.
Fazit
Silizium-Spin-Qubits speichern Information im Spin eines einzelnen, elektrisch eingefangenen Elektrons und werden mit derselben Grundtechnik gefertigt wie normale Computerchips. Das macht den Ansatz theoretisch besonders skalierbar und günstiger zu kühlen als supraleitende Schaltkreise, praktisch steckt er aber noch deutlich früher in der Entwicklung, mit Intels Tunnel Falls als reinem Forschungschip für wenige akademische Partner, nicht als Produkt.
Quellen und weiterführende Links: Postquantum: Silicon Spin Qubits – The CMOS Path to Quantum Computing · The Quantum Insider: From Beaches to Bits to Qubits – Silicon’s Journey in Quantum Computing · Intel Newsroom: Tunnel Falls · Argonne National Laboratory: Argonne launches silicon quantum processor collaboration with Intel · Wikipedia: Spin qubit quantum computer · Two-qubit silicon quantum processor with operation fidelity exceeding 99% (arXiv:2111.11937) · Physics Today: Quantum computing with semiconductor spins