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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Die Gründer Wieland Moser, Gerald Stangl und Florian Hackl-Kohlweiß sowie Co-CEO Katharina Steppan und CEO Hüseyin Özcelik (v. l.). Foto: Nicky Webb

Es ist eine Wette darauf, dass sich die Wärmeversorgung europäischer Städte in den nächsten Jahren grundlegend verändert. Den Beweis, dass der Markt dafür bereit ist, hat Roots Energy nach eigener Darstellung bereits erbracht. „Wir haben bewiesen, dass Menschen dafür bezahlen“, sagt Gründer Gerald Stangl. Das Wiener Unternehmen hat eine vorgefertigte Nahwärme-Plattform aus Hardware und Software entwickelt, die die heute übliche Einzelplanung jedes Heizraums durch ein industriell gefertigtes System ersetzen soll – und damit europäische Städte unabhängig von fossilen Energie-Importen machen will. Die Investitionskosten sinken laut Unternehmen gegenüber konventionell geplanten Anlagen um bis zu 50 Prozent.

Die erste Anlage – das mehrfach ausgezeichnete Wiener Pilotprojekt SmartBlock Geblergasse, technisch geplant von Roots-Mitgründer Wieland Moser, unter anderem Träger des Österreichischen Staatspreises 2021 – läuft seit 2017. Mehr als 20 weitere Standorte in der DACH-Region befinden sich im aktiven Rollout. Seit dem zweiten Quartal 2026 fertigt Roots Energy die zentralen Komponenten gemeinsam mit einem österreichischen Industriepartner in Serie. Womit das Unternehmen die jahrelange Pilotphase hinter sich lässt – und in die Skalierung eintritt.

Vom Co-Living-Projekt zum Wärme-Standard

Die Geschichte beginnt nicht mit Energie, sondern mit Wohnen. Hinter Roots steht mit Gerald Stangl ein Gründer, der bereits eine der bekanntesten österreichischen Health-Tech-Erfolgsgeschichten mitgebaut hat: Das von ihm mitgegründete Unternehmen mySugr, eine App zum Diabetes-Management, wurde 2017 an den Pharmakonzern Roche verkauft. Die Parallele zieht Stangl selbst – mySugr sei erfolgreich gewesen, weil das Team sein eigenes Problem gelöst habe. Bei Roots ist es dasselbe Muster: Die Wärmelösung entstand aus dem konkreten Bedarf eines eigenen Bauprojekts. 2021 gründete er gemeinsam mit Dr. Hüseyin Özcelik und Florian Hackl-Kohlweiß die Roots Urban Villages GmbH, ein Co-Living-Konzept für die Stadt. Bei der Suche nach einer Wärmelösung für ein rund 20.000 Quadratmeter großes Areal stieß das Team auf ein grundsätzliches Problem: „Wir haben gemerkt, es gibt nichts. Entweder man geht auf Fossil oder auf Fernwärme, wo man extreme Preisabhängigkeit hat“, erinnert sich Stangl. 

(c) Nicky Webb

Den Ausschlag gab schließlich der russische Einmarsch in die Ukraine 2022. Die Energiepreise schossen nach oben, die Immobilienpreise nach unten – und damit verschob sich die Logik des gesamten Vorhabens. Erst in diesem Moment, so Stangl, sei dem Team das eigentliche Marktversagen aufgefallen – und damit der Moment gekommen, „all in“ zu gehen: „Wenn nicht jetzt, wann dann?“ Das Team ließ das große Immobilienprojekt fallen, holte Energietechnik-Pionier Wieland Moser ins Gründer-Team, kaufte ein Gebäude als Forschungszentrum und entschied sich bewusst gegen frühes Investorenkapital: Ausschlaggebend war für Stangl der Zeitpunkt: Mit Kriegsbeginn sei die Stimmung unter Investoren schlecht gewesen, ein schneller Start mit hohem Tempo damals kaum finanzierbar. „Da haben wir gesagt, wir bootstrappen das.” 2023 wurde aus Roots Urban Villages die Roots Energy GmbH.

(c) Nicky Webb

Das Marktversagen: zwischen Fernwärme und Sackgasse

Warum es für dichte Städte bisher keine industrielle Wärmelösung gibt, lässt sich an drei Optionen festmachen, die alle nicht skalieren. Klassische Fernwärme erreicht nur profitable Kernzonen; bestehende Hochtemperatur-Netze (80 bis 135 Grad Vorlauf) sind faktisch nicht erweiterbar und verlieren über 30 Prozent ihrer Energie auf dem Transportweg. Wer dennoch ausbaut, riskiert hohe tote Investitionen, wenn die Anschlussquoten zu gering bleiben. Luftwärmepumpen und Heizcontainer wiederum scheitern im dichten Bestand an Platz, Schallschutz und Genehmigungen. Und individuell von Ingenieurbüros geplante Erdwärme-Anlagen funktionieren zwar technisch, bleiben aber teure Einzelstücke.

(c) Nicky Webb

Genau hier setzt die zentrale These vom „CapEx at Risk“ an. Das klassische Modell baut ein großes, zentrales Werk und steckt vorab viel Kapital hinein – in der Hoffnung, damit Tausende Haushalte zu versorgen. Bleiben die Anschlüsse aus, ist das Geld verloren. „Bei uns gibt’s dieses CapEx at Risk nicht“, sagt Stangl. „Die Energiequelle entsteht in diesen Netzen Schritt für Schritt.“ Statt eines Großkraftwerks liegen viele kleine Module vor; das System wächst mit der Nachfrage, nicht auf Verdacht.

Als Vorbild dient ausgerechnet Wien selbst. Nach den Ölpreisschocks Ende der 1970er-Jahre stellte die Stadt die dezentrale Ölheizung auf Gas um – und zwar, indem man günstig nur die Gasleitungen bis vor die Wohnungen legte. Ab da konnte jeder Haushalt frei entscheiden, wann er von Öl auf die überlegene Gastherme wechselt. „In weniger als einer Generation war das abgeschlossen“, erzählt Stangl. „Und wir machen genau das Gleiche.“ Roots verlegt schlanke, kostengünstige Soleleitungen – im Kern eine kalte Wasserleitung mit Alkohol-Wasser-Gemisch –, und jede Wohnung tauscht ihre Gastherme nach Bereitschaft gegen eine Soletherme.

(c) Nicky Webb

Komplexität von der Baustelle ins Werk

Technisch baut Roots auf sogenannter kalter Nahwärme – im Fachjargon 5th Generation District Heating and Cooling. Über die Soleleitungen wird Umgebungswärme aus Erdwärme, Grundwasser, Außenluft oder Abwasser vor Ort gewonnen und nahezu verlustfrei an die Gebäude geliefert. Die Plattform besteht aus drei Bausteinen: dem vorgefertigten Hydraulik- und Steuerungsmodul Roots·Hub, dem Betriebssystem Roots·OS, das das thermische Netz steuert, sowie standardisierten Kompressoren, die Wärme oder Kälte beim Endabnehmer erzeugen – inklusive der Option, im Sommer zu kühlen.

(c) Martin Holzner

Der Kerngedanke: Roots verlagert die Komplexität von der Baustelle ins Werk. Aus aufwändigen Sonderprojekten werden standardisierte, einfach einzusetzende Systemlösungen – und damit eine skalierbare Infrastruktur. Wichtig ist Stangl dabei die Abgrenzung – ein Punkt, mit dem das Unternehmen lange gerungen hat: „Wir liefern die Anlagensysteme, damit Firmen ihren Job machen können. Wir sind in keiner Konkurrenz.“ Roots sei weder Wärmepumpenfirma noch Projektierer, sondern Systemtechnik-Lieferant für Energieversorger, institutionelle Eigentümer und Contractors.

Markt mit hohem regulatorischem Druck

Der Zeitpunkt ist kein Zufall. Drei EU-Rechtsakte definieren bis 2040 das Ende fossiler Wärme im Gebäudebestand: Der EPBD-Recast schreibt den Ausstieg aus fossilen Heizkesseln bis 2040 vor, der EED-Recast verpflichtet jede Kommune ab 45.000 Einwohnern zu einem Wärmeplan, und ab 2028 greift mit ETS 2 eine CO₂-Bepreisung auf Gebäudewärme. Rund die Hälfte des EU-Endenergieverbrauchs entfällt auf Heizen und Kühlen – größtenteils noch fossil.

(c) Nicky Webb

Als Zielkunden hat Roots Energy Europas größte institutionelle Wohnungsanbieter im Blick. Allein die 30 größten kontrollieren nach eigener Auswertung ein Wärme-Dekarbonisierungs-Volumen von rund 65 Milliarden Euro – darunter die größten Bestandshalter aus Österreich und Deutschland. Gespräche zu ersten gemeinsamen Piloten sind in Vorbereitung.

Fünf Jahre bootstrapped, jetzt die erste Runde

Seit 2021 hat Roots Energy rund zehn Millionen Euro aus Eigen- ,Fördermitteln und geförderten Darlehen eingesetzt – je etwa fünf Millionen in Forschung und Produktentwicklung sowie in das 900 Quadratmeter große Forschungszentrum „Roots·House“ in Wien-Penzing, das der Klimafonds als „Leuchtturm der Wärmewende“ auszeichnete. Die Forschungsförderungsgesellschaft FFG steuerte 2,4 Millionen Euro bei. Das Patent ist erteilt.

Nun geht das Unternehmen erstmals an externes Kapital: Eine erste Finanzierungsrunde soll im dritten Quartal 2026 abgeschlossen werden. Gespräche laufen mit europäischen Fonds aus den Bereichen Klima-, Resilienz- und Industrietechnologie. Das Kapital fließt in technische Kundenbetreuung, den Ausbau des Vertriebs und die Serienproduktion. Operativ geführt wird Roots Energy von Hüseyin Özcelik und Katharina Steppan; Stangl verantwortet als Gründer das Fundraising.

Das erklärte Ziel: Die Wärmeversorgung europäischer Städte soll künftig industriell organisiert sein – so wie Strom oder Telekommunikation heute. Den Hebel dorthin sieht Stangl weniger im Klimaargument als in handfesten Vorteilen für die Bewohner. „Wir müssen das Narrativ ändern“, sagt er. „Klima zieht in der aktuellen politischen Lage bei den Menschen wenig – dafür stehen Resilienz, Unabhängigkeit und Wirtschaftlichkeit im Vordergrund.“


Mehr über Roots Energy könnt ihr auch hier erfahren.

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