23.04.2018

Quantencomputer: Eine Lösung für die AI?

Interview. Der Quantencomputer könnte für die Artificial Intelligence einen massiven Schritt bedeuten. Die Frage ist: Wann wird er so weit sein?
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Quantencomputer
(c) fotolia.com - Sergey Tarasov

Alexander Glätzle begann seine Forschungen der Theoretischen Quantenphysik am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck. Sein Projekt zum Thema Quantum Enhanced Maschine Learning brauchte ihm den ersten Platz beim Demo-Day der I.E.C.T. Summer School on Entrepreneuship 2017 ein und führte ihn schließlich nach Oxford, wo er heute in der Grundlagenforschung zu Quanten-Simulatoren und Quanten-Rechnern arbeitet. Im Interview beantwortete er uns ein paar Fragen über den Quantencomputer und seine zukünftigen Möglichkeiten für die Artificial Intelligence.

+++ Hermann Hausers I.E.C.T. Summer School: Applications are open! +++


Die erste Frage zur Orientierung. Wie arbeiten Quantencomputer und was können sie heute?

Quantencomputer basieren – wie der Name sagt – auf den Prinzipien der Quantenmechanik die sich grundlegend von der klassischen Physik unterscheidet und erfolgreich die Eigenschaften und Dynamik von Atomen, Elektronen und Photonen beschreibt. In gewohnten klassischen Computern besteht der Speicher aus Bits, die entweder den Wert Null oder Eins annehmen können. Quanten-Bits – kurz Qubits – können dagegen beide Zustände gleichzeitig annehmen und sich quantenmechanisch „verschränken“. Eine sehr fragile Eigenschaft, die nur in der Quantenwelt, bei sehr kalten Temperaturen und atomaren Teilchen, vorkommt. Die Rechenleistung würde damit exponentiell steigen – zumindest theoretisch –, denn ein Quantencomputer kann jeden Rechenschritt mit sämtlichen Zuständen zur gleichen Zeit durchführen. Das bedeutet nicht, dass Quantencomputer herkömmlichen Rechnern grundsätzlich überlegen sind. Aber die Hoffnung ist, dass sie viele hochkomplexe Aufgaben weitaus schneller lösen als herkömmliche Super-Rechner oder für manche heute nicht lösbaren Problem, überhaupt erst eine Lösung ermöglichen.

Alexander Glätzle

Allerdings machen es gerade diese beiden Eigenschaften, die den Quantencomputer so stark machen, auch unglaublich schwierig, Qubits zu kontrollieren und herzustellen. Das außerordentliche Potential von Quantencomputern gibt es nur, wenn es gelingt die Quantenzustände vor thermischen Fluktuationen und Strahlung zu schützen. 2012 wurden Serge Haroche und David Wineland mit dem Nobelpreis ausgezeichnet für ihre bahnbrechenden Ideen einzelnen Atome und Ionen zu fangen und so zu kontrollieren, so dass sie Quanteneigenschaften zeigten.

Was die Anzahl der Qubits betrifft gibt es zwei unterschiedliche Richtungen. Die eine Richtung fokussiert sich darauf ein paar wenige Qubits perfekt zu kontrollieren und dann upzuscalen. So wurden zum Beispiel in Innsbruck mit Ionen bereits voll funktionsfähige Quantencomputer mit 4 – 8 Qubits gebaut, die darauf optimiert sind, Quanteneffekte für besonders lange Zeit aufrecht zu halten. Vor kurzem wurden auf der CES von IBM und Intel zwei Prototypen mit 50 bzw. 49 Qubits vorgestellt. Die andere Richtung verfolgt zum Beispiel D-Wave: Eine analoge Maschine mit über 2000 Qubits, die speziell für Optimierungsprobleme ausgelegt ist. Volkswagen nutzte diese D-Wave Maschine kürzlich erfolgreich für Verkehrsoptimierung. Allerdings sind sich Experten uneins, ob es sich wirklich um einen Quanten- oder doch nur einen starken klassischen Optimierer handelt.

Was kann man mit 50 Qubits machen?

Das ist gerade besonders spannend in Hinblick auf der Jagd nach „Quantum supremacy“, einer etwas nebulösen theoretischen Grenze, an der klassische Computer nicht mehr mithalten können. Das hängt natürlich auch davon ab, wie gut der beste klassische Algorithmus ist, von der Qualität der Qubits und der tiefe der Gates. Daher wird das wohl eine bewegliche Linie sein, über die man sicher diskutieren wird.

Es ist aber ziemlich sicher, dass dies keine Probleme sein werden wie Verschlüsselungen knacken oder pharmazeutisch motivierte Anwendungen – dazu reicht die Anzahl der kohärenten Qubits noch nicht aus– , sondern abstrakte Probleme bei denen nicht die Antwort im Vordergrund steht sondern das Device selbst. Aber nicht nur der Quanten-speed-up scheint exponentiell zu sein, sondern auch der experimentelle Fortschritt. Wir erleben gerade sehr spannende Zeiten.

Welche Auswirkung könnte Quantencomputing auf die Entwicklung der AI haben?

Eine Herausforderung, für die analogen Quantencomputer geradezu prädestiniert sind, ist Optimierungsaufgaben zu lösen. Mathematisch schauen alle Optimierungsaufgaben gleich aus: Die Aufgabe ist es, bildlich gesprochen, in einer bergigen Landschaft den Ort mit der geringsten Seehöhe zu finden, also den tiefsten Punkt. Dieser entspricht dann der optimalen Lösung des Problems. Stellen Sie sich vor, ein Hubschrauber setzt sie in Alaska aus, ohne Handy, GPS oder Karte und ihre Aufgabe ist es, den tiefsten Punkt zu finden. Schnell werden sie feststellen wie anstrengend das ist, da sie sehr viel Zeit und Energie brauchen um die Berge zu erklimmen um ins dahinter gelegene Tal zu blicken. So ähnlich würde ein klassischer Computer arbeiten. Wären Sie ein Quantencomputer, könnten Sie durch den Berg durchtunneln, ohne ihn zu besteigen und damit das Minimum schneller finden. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren auch Machine Learning und Artificial Intelligence.

Während angenommen wird, dass general-purpose quantum computing noch ein paar Jahrzehnte entfernt ist, sind solche speziellen Anwendungen möglicherweise bald in Reichweite. Quanten Machine learning gehört da sicher dazu und könnte das spannende Feld von künstlicher Intelligenz noch mehr befeuern.

Wann könnten erste Quantenkonzepte für AI anwendbar sein?

Die größten Hardware-Herausforderungen sind sicher die Qualität der Qubits und ihre Skalierbarkeit. Es ist sehr schwer abzuschätzen, wenn Quanten-Technologie für Machine Learning relevant wird und auch tatsächlich einen Vorteil bringt. Betrachtet man das explosionsartige Interesse der Industrie und Startups an Quantentechnologie in den letzten paar Jahren gibt es Anzeichen, dass es möglicherweise nur noch ein paar Jahre statt Jahrzehnte dauern wird. Das spüren auch die Strategieabteilungen großer Firmen, die mit Respekt alle disruptiven Entwicklungen beobachten. Wie bei allen exponentiellen Entwicklungen sollte man sich bewusst sein, dass der Impact von Quantentechnologie möglicherweise so groß ist, dass der first-mover Vorteil alle anderen überrennt. Momentan gilt das alte Sprichwort: high risk, high gain.

⇒ Zur Page des Physik-Departments der Uni Oxford

Dieses Interview erschien in gedruckter Form im aktuellen Brutkasten Magazin #6

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(v.l.) Wholomics-Geschäftsführer Patrick Strasser und Maximilian Schneider | © Wholomics GmbH

Es ist wohl eine der schockierendsten Nachrichten, die man erhalten kann: Diagnose Krebs. Dabei werden verschiedenste Krebsarten oftmals erst in späten Stadien erkannt, was die Überlebenschance stark verringert. Das soll sich bald ändern. Die beiden Wholomics-Gründer Patrick Strasser und Maximilian Schneider entwickelten einen Test, der mit hoher Genauigkeit verschiedene Krebserkrankungen bereits im Stadium eins feststellen können soll.

“Heutzutage zählt es als Durchbruch, wenn ein Medikament für Krebspatienten im Stadium vier eine sechs Monate längere Überlebensdauer erzielt. Allerdings hätte man einen viel größeren Impact, wenn man Krebs einfach früher erkennen könnte”, erklärt Wholomics-CEO Strasser im brutkasten-Interview. Denn bei den meisten Krebsarten, die man bereits im Stadium eins erkennt, hätten die Patienten eine “5-Jahres-Überlebensrate von über 90 %”. Im Stadium drei bzw. vier falle die Überlebenschance rapide ab. 

Daher entwickelten Strasser und Wholomics-CTO Schneider einen Test, der darauf ausgelegt ist, mehrere Krebsarten bereits in frühen Stadien aus einer einzigen Blutprobe zu erkennen. Der Test analysiert diverse Veränderungen im Blutserum, also der Flüssigkeit im Blut, die mit einer frühen Tumorentwicklung in Zusammenhang stehen können. Die Ergebnisse einer Validierungsstudie sind vielversprechend, denn der Wholomics-Test erkannte eigenen Angaben zufolge 38 von 40 Krebserkrankungen im Stadium eins, darunter Darm-, Magen- und gynäkologische Tumore. Die Intellectual Property der Methode liegt bei Wholomics. Eine erste Version des Tests, der Wholomics Multi-Cancer Check, ist bereits über eine Partnerfirma, Novogenia, erhältlich. Strasser und Schneider möchten sich aber darauf konzentrieren, den Test in der breiten Bevölkerungsmasse einsetzen zu können.

Vom Forscher zum Unternehmer

Die beiden Wholomics-Gründer kennen einander seit ihrem Studium an der TU München und fassten gerade wissenschaftliche Publikationen zusammen, als ihnen die Idee für einen neuen Test zur Krebsfrüherkennung kam. Die Umstellung vom Forscher zum Unternehmer beschreibt der Biochemiker Strasser als “leicht”. Dennoch stellt ihn das Unternehmertum vor einige Herausforderungen. “Als Startup-Founder lernt man im Endeffekt nie aus. Das heißt, jeden Tag, jede Woche gibt es neue Dinge, die man sich selbst beibringen oder die man lernen muss“, erklärt Strasser und ergänzt: “Ein Founder hat mir mal gesagt, die wissenschaftliche Grundlage ist sozusagen das A und O deines Unternehmens. Aber 80 Prozent werden dann im Endeffekt auf der Business-Seite durchgesetzt.”

Wholomics wurde bisher mit dem aws First Incubator und der Forschungsprämie unterstützt. Aktuell befindet sich das Unternehmen in der zweiten Finanzierungsrunde und ist noch auf der Suche nach Investoren. Strasser und Schneider wollen die Runde im letzten Quartal dieses Jahres schließen. “Wir suchen nicht nur nach Geldgebern, sondern eben auch nach strategischen Partnern, die z. B. im Bereich Diagnostik Erfahrung haben”, sagt Strasser. Mit der Entwicklung ihres Startups zeigt sich der Biochemiker zufrieden, auch wenn der Standort Österreich seine Schwierigkeiten mit sich bringe. Die Regulierungen in der EU erschweren laut dem Krebsforscher jedem Diagnostik-Startup den Start.      

Das Ziel sind 2027 die USA, aber ohne FDA-Approval

Zudem brauche es in der EU hohe Investments, um ein medizinisches Produkt auf den Markt zu bringen. “Da muss man dann abwägen, wie die tatsächliche Marktzugangslage ist. Und die ist in Österreich oder im DACH-Raum generell etwas schwieriger”, erklärt Strasser, der mit Schneider den Großteil von Wholomics besitzt. Der Blick der beiden Österreicher richtet sich daher über den großen Teich. Sie arbeiten aktuell in den USA an der Eröffnung eines sogenannten CLIA-Labors. Dadurch soll der Test zur Krebsfrüherkennung als “Lab Developed Test” in den Vereinigten Staaten 2027 auf den Markt gebracht werden können. Er werde somit firmenintern validiert und könne anschließend an Privatpersonen weiterverkauft werden. Ein FDA-Approval sei dann nicht mehr nötig.

Wholomics als die nächste Generation der Krebsfrüherkennungstests

“Im Endeffekt wollen wir quasi die nächste Generation von Multi-Cancer Early Detection Tests auf den Markt bringen. Der größte Unterschied zwischen uns und anderen Anbietern ist, dass wir einfach sehr hohe Frühstadien-Erkennungsraten haben”, sagt Strasser. Langfristig will sich Wholomics am Markt als “First Line Diagnostic” platzieren, also als eine erste Reihe an Untersuchungen, die bei Krebsverdacht durchgeführt werden. Diese Tests sollen dann von Versicherern rückerstattet werden. Als potentielle Kunden beschreibt Strasser in den USA zu Beginn unter anderem Ärzte, später auch Krankenkassen, wobei man den Test immer unter ärztlicher Begleitung durchführen muss.

In Zukunft kann es mehrere unterschiedliche Use-Cases für Wholomics geben, wie z. B. einen Stratifizierungstest. Durch diese Tests werden Personen in klare Gruppen eingeteilt. Dadurch kann in der Medizin einer Person die passende Behandlung verschrieben werden. “Im Endeffekt laufen alle diese Use-Cases darauf hinaus, dass eine Blutprobe analysiert wird und wir das molekulare Profil nach Krebs-Signaturen untersuchen”, sagt Strasser.

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