Как изобретение квантового компьютера повлияет на развитие медицины?

Квантовый компьютер: люстра в суперпозиции

Квантовый компьютер не выглядит как компьютеры, с которыми мы сталкиваемся в обычной жизни: цилиндрический корпус, трубки, провода. Все это делает машину похожей не нечто среднее между люстрой и органом. Но сложная система необходима для передачи сигналов квантовому процессору, чья работа основывается на кубитах – единицах информации мира квантовых вычислений. Кубиты могут становиться в суперпозицию, при которой квантовый бит находится и в состоянии 0, и в состоянии 1 одновременно, в отличии от бита обыкновенного. Именно из-за суперпозиции возникает квантовое ускорение, позволяющее производить несколько вычислений параллельно и на очень высокой скорости. Чтобы поместить кубиты в суперпозицию, исследователи воздействуют на них с помощью прецизионных лазеров или микроволновых лучей. Но это квантовое состояние чрезвычайно хрупкое. Малейшая вибрация или изменение температуры вызывает возмущения, шумы, которые могут вывести их из суперпозиции. Вот почему ученые стараются защитить кубиты от внешнего мира в криостатах и вакуумных камерах. Но шум по-прежнему негативно влияет на расчеты. Умные квантовые алгоритмы могут компенсировать некоторые из ошибок, также помогает увеличение количества кубитов. 

Несмотря на то, что еще многое предстоит исследовать, квантовая гонка стартовала. Маломасштабные квантовые компьютеры уже применяются в различных сферах. Правительства и частные компании, IBM, Google, Microsoft, Amazon и другие, вкладывают миллиарды в разработки. В перспективе квантовый компьютер будет решать сложные или даже ранее невыполнимые задачи: например, квантовая телепортация, моделирование и анализ молекул, оптимизация и быстрый поиск несортированных данных. Квантовые компьютеры будут задействованы в поиске белковых структур, что ускорит процесс создания новых лекарственных препаратов и углубит персонализированный подход в медицине. Машина поможет и в диагностике заболеваний на ранних стадиях. 

Квантовые компьютеры в фармацевтической отрасли

Холдинг Roche объявил о сотрудничестве с Cambridge Quantum Computing, а европейский фармгигант Boehringer Ingelheim начал совместную работу в области квантовых вычислений с Google. Эксперты думают, квантовые технологии смогут точно и быстро моделировать сложные молекулярные системы, химические реакции, прогнозировать потенциал медикаментов, их влияние на белки, а также участвовать в других процессах компьютерного поиска лекарств. Речь идет о гибридном алгоритме, в котором классические компьютеры выполняют большую часть работы, а квантовые процессоры задействованы на сложных задачах. В перспективе это сократит затраты и время вывода новых средств на рынок. Уже сегодня фармакологические компании не сомневаются, что квантовые вычисления помогут увеличить прибыль, поэтому создают консорциумы для предконкурентного сотрудничества. Самые известные среди подобных организаций – Pistoia Alliance и QuPharm Alliance. Другой путь внедрения квантовых вычислений в отрасль – взаимодействие фармкомпаний с QC-стартапами. Примером может служить биотехнологическая компания Biogen, которая в партнерстве с поставщиком программного обеспечения для квантовых вычислений 1QBit и консалтинговой фирмой Accenture разработала квантовый инструмент молекулярного сравнения. Компании занимаются занимаются поиском решения для лечения рассеянного склероза, болезней Альцгеймера, Паркинсона. 

Диагностика и лечение

С помощью квантовых технологий исследователи женской больницы Бригхэма и Гарвардской медицинской школы надеются оптимизировать трудоемкий метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Они предположили, что раз ЯМР основывается на квантовой механике, то квантовый компьютер сможет сделать процесс более точным и быстрым: там, где обычному компьютеру нужны дни, квантовому достаточно несколько минут или часов. Авторы теории приводят пример: в кровотоке есть тысячи молекул, но сейчас с помощью ЯМР исследуется только 200 из них. В будущем квант должен помочь решить проблему идентификации неизвестных молекул.

Квантовые технологии улучшат медицинскую визуализацию. Например, квантовые датчики, небольшие устройства, заменят громоздкое оборудование и смогут визуализировать магнитные поля, генерируемые человеческим мозгом. Это позволит диагностировать опухоли, синдром Альцгеймера, эпилепсию и т.д. точнее, чем при использовании методов ЭЭГ и МРТ. Квантовые сенсоры малого размера можно будет даже внедрить внутрь клетки без вреда для организма и мониторить заболевание на клеточном уровне, изучать процессы старения и т. д.

Точность квантовых расчетов в будущем усилит персонализацию медицины, а значит, сделает более эффективным медикаментозное лечение онкологических, аутоиммунных заболеваний и др. Благодаря построенным моделям реакций на лечение врач сможет подбирать терапию для конкретного пациента, учитывая при этом его многочисленные характеристики: возраст, пол, сопутствующие заболевания, генетика и т. д. Например, квантовые компьютеры смогут рассчитать дозу для лучевой терапии, тем самым сведя побочный эффект к минимуму.

Университет Case Western Reserve уже работает вместе с Microsoft над совмещением алгоритмов квантовых вычислений с магнитно-резонансной дактилоскопией (метод МРТ). Команда разработала способ неинвазивной диагностики рака и определения эффективности химиотерапии: действует или нет, становится понятно уже после первой дозы. 

Управление данными

Мощь квантового компьютера используется для обработки медицинских записей, хранящихся в системах больших данных, и поиска закономерностей. Кроме того, квантовые компьютеры помогут выстраивать цифровые экосистемы здравоохранения, которые работают с различными взаимосвязанными источниками: клинические данные, снимки, рецепты врачей и т. д. 

Квантовые технологии изменят медицинские приложения на базе искусственного интеллекта. Профилактическая медицина мониторит, накапливает сведения о здоровье, дает рекомендации. Квантовые алгоритмы сделают их точнее. Благодаря этой технологии врачи смогут получить доступ к более эффективному управлению данными о состоянии здоровья пациентов.