Как изобретение квантового компьютера повлияет на развитие медицины?

В марте 2021 года компания IBM отправила свой первый розничный квантовый компьютер в клинику Кливленда. Машина в том числе должна помочь в борьбе с коронавирусной инфекцией: квантовые вычисления позволят подробнее изучить взаимодействие вируса на клеточном уровне, ускоряет диагностику и подскажут соответствующий план лечения. Кроме того, машина укажет точки на карте, где заболеваемость будет расти еще до того, как это спрогнозируют люди. Но самое главное, эксперты надеются, что компьютер сможет предотвратить следующую пандемию. В этом материале рассказываем, что такое квантовый компьютер и как он изменит медицину будущего.

Квантовый компьютер: люстра в суперпозиции

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

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

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

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.
 

Вам может быть интересно

Как появился первый стетоскоп?

Актуальное

Стетоскоп – базовый медицинский инструмент, необходимый для работы врача любого профиля.

Читать статью

БА и ХОБЛ: как лечить?

Актуальное

В этом году GINA и GOLD обновили свои рекомендации по ведению пациентов с бронхиальной астмой и хронической обструктивной болезнью легких.

Читать статью

Как врачу защитить себя от коронавируса

Актуальное

Мы уже писали о том, что делать, если вы заподозрили у больного коронавирус. В этот раз мы проанализировали рекомендации CDC и Минздрава, чтобы разобраться, как же медработнику защитить себя от инфицирования. Главное — в этой статье.

Читать статью

Выдающиеся соотечественники: биография Льва Зильбера

Ликбез

Имя советского микробиолога, вирусолога и иммунолога Льва Зильбера долгие годы пытались вычеркнуть из истории отечественной медицины. Рассказываем о судьбе талантливого ученого в этом тексте.

Читать статью

Что такое геймификация и как она помогает в лечении и реабилитации

Ликбез

Постепенно геймификация добирается до медицины. Рассказываем, как именно этот метод поможет в лечении пациентов.

Читать статью

Как телемедицина и новые технологии помогают ограничивать распространение коронавируса?

Актуальное

Платформы телемедицины и электронного здравоохранения предоставляют возможность объединить пациента и врача в цифровом формате без физического контакта.

Читать статью

Как расшифровка структуры рецепторов поможет в разработке лекарств?

Актуальное

Несмотря на прогресс в разработке лекарственных препаратов, многие болезни до сих пор остаются неизлечимыми, а эффективность доступных методов зачастую ограничена. В этом материале разбираемся, может ли расшифровка структуры рецепторов помочь в разработке

Читать статью

Питание для сердца

Актуальное

Людям с артериальной гипертензией часто рекомендуют придерживаться специального питания для снижения лишнего веса, артериального давления и холестерина. Самой известной такой диетой является DASH. Собрали ее ключевые принципы в красивой инфографике.

Читать статью

Таргетная терапия мигрени: что известно на сегодня

Актуальное

Расширение сосудов черепа во время приступа мигрени — вторичное явление, которое возникает из-за дисфункции системы тройничного нерва. Ученые ищут новые лекарства от мигрени. Одним из них стала таргетная терапия.

Читать статью

Как обсуждать план лечения с пациентом: 5 рекомендаций, которые сделают общение эффективнее

Будни врача

Эффективное общение — навык, который может освоить каждый врач. Базой знаний для такого общения стала Калгари-Кембриджская модель медицинской консультации. Мы расскажем об основных правилах, которые помогут эффективнее обсуждать план лечения с пациентом.

Читать статью

Ученые обнаружили новый симптом COVID-19: сыпь во рту. Как не спутать ее с другими высыпаниями?

Актуальное

Как выглядят высыпания при COVID-19 и как не спутать их с другими видами сыпи.

Читать статью

Ошибочный и пропущенный диагноз - в чем разница?

Будни врача

В чем заключается разница между пропущенным и ошибочным диагнозом? Как снизить риск подобных ошибок? Разбираемся в медицинской и юридической сторонах вопроса.

Читать статью

Комментарии: 0

или

чтобы оставить комментарий.

Мы собираем и обрабатываем пользовательские данные, в том числе файлы cookies для оптимизации сайта и подбора для Вас релевантного контента. Нажав «Принять» или оставаясь на сайте, Вы разрешаете их использование. Подробнее: Политика конфиденциальности.

Принять