22. November 2022 – 1960er getaggt der Einzug des Computers in die Medizin. Teure, unhandliche Plastik- und Metallteile, die Testergebnisse (vielleicht) schneller zum Arzt bringen könnten. In den 1980er Jahren gab es die ersten wirklichen Funktionen, die Computer bieten konnten – klinische, finanzielle, administrative – und 1991 veröffentlichte das Institute of Medicine das erste Manifest dessen, was elektronische Patientenakten sein könnten (und würden).
Seitdem haben wir Computerdurchbrüche in allen Bereichen der Medizin erlebt, wobei künstliche Intelligenz, virtuelle Realität und Telemedizin in den Vordergrund gerückt sind. Aber etwas anderes ist im Gange, von dem viele Menschen noch nichts wissen: Quantum Computing, eine völlig neue Art der Datenverarbeitung, die bereits begonnen hat, alles voranzutreiben, von der Arzneimittelentwicklung und Krankheitserkennung bis hin zur Sicherung elektronischer Aufzeichnungen.
„Stellen Sie sich vor, Licht durch Feuer und Kerzen zu bekommen, und jetzt haben Sie Strom und es gibt eine Glühbirne, die alles zum Leuchten bringt“, sagt Lara Jehi, MD, Chief Research Information Officer der Cleveland Clinic.
Was ist Quantencomputing?
Klassische Computer (auch bekannt als Binärcomputer), die den heutigen Geräten zugrunde liegen, einschließlich künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen, arbeiten mit Informationen, die als Bits bekannt sind. Diese erscheinen als 0 oder 1 (manchmal definiert als aus/ein oder falsch/wahr).
Quantencomputer hingegen verwenden Quantenbits, sogenannte Qubits. Und ja, die Definition von „Quantum“ – wie in: sehr, sehr klein – trifft zu.
International Business Machines, besser bekannt als IBM, führt derzeit diese neue Technologie an. Ein weit verbreiteter Irrglaube über Quantencomputer ist, dass sie „die nächste Evolution von Computern sind, die schneller sein werden“, sagt Frederik Flöther, PhD, Head of Life Sciences and Health bei IBM Quantum Industry Consulting. Stattdessen möchte er, dass wir Quantencomputing als etwas völlig Neues betrachten, „weil es eine grundlegend andere Hardware, eine andere Software ist, nicht nur eine Weiterentwicklung des Gleichen“.
Wie unterscheidet es sich von bestehenden Computern? Quantencomputerspeicher in der Natur. Daher müssen Qubits in der natürlichen Welt verankert sein. Was bedeutet das? Der Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman wurde mit den Worten zitiert: „Die Natur ist nicht klassisch, verdammt, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen wollen, sollten Sie sie besser quantenmechanisch machen, und verdammt, das ist ein erstaunliches Problem. weil es nicht so einfach aussieht.”
Die Natur, sagt Jehi, funktioniert nicht schwarz auf weiß oder passt in Schubladen.
„Wir müssen es in Nullen und Einsen umwandeln, denn so sprechen Computer“, erklärt er. Aber Quantencomputing nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik. „Genau so funktioniert die Natur, denn sie basiert auf der Grundeinheit von allem in der Natur, nämlich der atomaren Struktur.“
Wirklich sehr, sehr klein. Und deshalb könnte Quantencomputing eine bahnbrechende Technologie in der Medizin sein.
“Quantencomputer können verwendet werden, um viele verschiedene Lösungen für ein Problem gleichzeitig darzustellen und dann zu einer optimalen Lösung zusammenzufallen, die tatsächlich funktioniert”, sagt Tony Uttley, Präsident und Chief Operating Officer des Unternehmens Das Quantum, eine Zusammenarbeit zwischen Cambridge Quantum und Honeywell Quantum Solutions, die darauf abzielt, die Zukunft des Quantencomputings voranzutreiben. “Und der Grund dafür sind einige wunderbare Eigenschaften der Quantenphysik.”
Aufbau der Vororte des Quantencomputings
Wissenschaftler auf der ganzen Welt untersuchen Quantencomputer und untersuchen, wie sie die Technologie nutzen könnten, um große Fortschritte in der Welt der Medizin zu erzielen.
IBM hat das IBM Quantum Network ins Leben gerufen und arbeitet mit einer Vielzahl von Organisationen zusammen, von Start-ups bis hin zu Fortune-500-Unternehmen, um Technologien in einer Vielzahl von Umgebungen zu entwickeln und zu testen. Eine dieser Partnerschaften mit der Cleveland Clinic zielt darauf ab, einen „Discovery Accelerator“ zu schaffen, der sich auf die Förderung des Gesundheitswesens durch Hochleistungs-Computing in der Hybrid Cloud, Quantencomputertechnologien und künstliche Intelligenz konzentriert.
Viele Menschen im ganzen Land nutzen diese Technologie jetzt auf vorhandenen Computern, indem sie die Cloud anzapfen, jedoch mit begrenztem Qubit-Zugriff. IBM hat Forscher an Orten wie Deutschland und Japan, die an Quantencomputern arbeiten, und wird das erste von IBMs Qubit-Quantensystemen der nächsten Generation im Land auf dem Campus der Cleveland Clinic installieren, mit dem sie die vielen anvisierten Quantencomputer weiter erforschen wollen . Vorteile.
Aber was sind diese Vorteile?
Arzneimittelentdeckung und -entwicklung
Die Quantenchemie ist einer der Hauptbereiche, in denen Quantencomputer helfen können.
“Die unmittelbare Anwendung wäre in der Arzneimittelforschung”, sagt Jehi. Wenn Wissenschaftler Medikamente herstellen, sitzen sie in einem Labor und entwickeln verschiedene chemische Formeln, aus denen das Medikament bestehen könnte.
„Aber um wirklich zu wissen, ob es funktionieren wird, müssen wir uns vorstellen können, wie sich diese chemische Zusammensetzung in die Struktur übersetzt“, sagt er.
Selbst die leistungsstärksten Supercomputer von heute sind nur langsam in der Lage, diese chemische Formel auf Papier in eine Simulation des Aussehens der chemischen Verbindung umzuwandeln. Und in vielen Fällen können sie diese Art von Analyse nicht durchführen.
„Also stellen wir diese Medikamente am Ende her, ohne genau zu wissen, wie sie aussehen werden, was nicht wirklich der optimale Weg ist, um ein Medikament herzustellen, von dem Sie erwarten, dass es wirkt“, erklärt Jehi. “Es ist Zeitverschwendung, Verbindungen herzustellen, die keine Wirkung haben.”
Quantencomputer werden es Forschern ermöglichen, diese molekularen Strukturen zu erstellen und zu sehen und zu wissen, wie sie an den menschlichen Körper binden und mit ihm interagieren. Tatsächlich wissen sie, ob ein potenzielles Medikament wirkt, bevor sie es physisch herstellen müssen.
Aufgrund der Unterschiede zum klassischen Rechnen sind Quantencomputer nicht in ihrer Fähigkeit beschränkt, zu simulieren, wie verschiedene Verbindungen auftreten können. Die Möglichkeit, die Verbindungen zu simulieren, aus denen Arzneimittel hergestellt werden, kann zu einer schnelleren Arzneimittelentdeckung zur Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen führen.
Analyse von Krankheiten
Letztendlich könnte diese Technologie bei der Krankheitsanalyse helfen, indem sie auf molekularer Ebene arbeitet, damit Computer/KI beispielsweise über Krebsmoleküle nachdenken und ein tieferes Verständnis ihrer Funktionsweise erlangen können.
Jehi sagt, dass Quantencomputer auch verwendet werden können, um Dinge wie chronische Krankheiten zu untersuchen. Dies sind Bedingungen, mit denen Menschen leben und umgehen müssen, und wie man sich dabei fühlt, kann von Tag zu Tag variieren, abhängig von Dingen wie dem, was man isst, dem Wetter oder den Medikamenten, die man einnimmt.
„Es gibt so viele verschiedene Optionen, die die Flugbahn eines Patienten in die eine oder andere Richtung verändern könnten“, sagt Jehi.
Er weist darauf hin, dass es sehr schwierig ist, das Aussehen dieser Gruppe zu replizieren und dann die Auswirkungen dieser verschiedenen Interventionen mit traditionellen Methoden zu untersuchen, wenn wir eine Gruppe von Patienten haben und alles erfasst haben, was ihnen auf ihrem Krankheitsweg passiert ist . rechnerisch.
„Es ist einfach zu kompliziert und die Computer, die wir haben, können mit der Analyse der Auswirkungen verschiedener Optionen nicht Schritt halten. Es ist verwirrend“, sagt Jehi.
Aber Quantencomputer können Quantenmaschinenlernen bieten, was bedeutet, dass Sie diese spezielle Quantenfähigkeit nutzen können, um mit verschiedenen Simulationen und verschiedenen Möglichkeiten umzugehen.
Zum Beispiel untersucht die Cleveland Clinic, wie einige Patienten, die sich einer allgemeinen Operation unterziehen, nach den Eingriffen Herzkomplikationen haben.
„Es wäre transformativ, wenn wir im Voraus erkennen könnten, wer nach der Operation das höchste Risiko für einen Herzinfarkt hat, damit wir diese Menschen besser versorgen können“, sagt er.
Der aktuelle Datensatz der Klinik enthält Aufzeichnungen von 450.000 Patienten, und die aktuelle KI/maschinelles Lernen macht die Suche sehr langsam und komplex. Die Klinik verwendet maschinelle Lernansätze, um einen synthetischen Datensatz zu erstellen, eine kleinere Gruppe, die eine Nachbildung einer viel größeren ist. Die Quantentechnologie könnte diese Analyse verbessern und beschleunigen und Modelle erstellen, die besser funktionieren.
Krankheitserkennung
„Stellen Sie sich vor, Sie gehen zu einem CT-Scan“, sagt Uttley. „Es gibt bereits KI-Lösungen, bei denen Sie diese Bilder durchgehen und fragen können: ‚Sieht das aus wie etwas, das Krebs wäre?‘“ Diese bestehende Technologie, erklärt er, funktioniert gut bei Dingen, die typisch sind und zuvor identifiziert wurden . , denn so funktioniert maschinelles Lernen. Wenn eine KI etwas 100.000 Mal gesehen hat, kann sie oft etwas anderes finden, das so aussieht.
Aber die klassischen Computer von heute sind nicht dafür ausgestattet, etwas Unbekanntes zu identifizieren. „Hier können Quantencomputer viel besser über Bilder nachdenken und sagen: ‚Ich kann seltene Krebsarten oder seltene Erkrankungen erkennen, bei denen Sie keine riesige Bibliothek mit Dingen haben, die so aussehen‘“, sagt Uttley. .
Auch hier können Wissenschaftler mithilfe eines Quantencomputers herausfinden, welche Dinge könnte aussehen.
„Das Schöne am Quantencomputing ist, dass es sich um eine Verzerrungsformation in der Quantenphysik handelt, dieses eher probabilistische Design. Und so können Sie dieses probabilistische Design nehmen und ihnen helfen, darüber nachzudenken”, sagt Uttley.
Wie weit sind wir?
Uttley sagt, wir befinden uns in der aufstrebenden Ära des Quantencomputings. Quantencomputer existieren, und das ist eine große Sache, aber ein Großteil dieser Technologie steckt noch in den Kinderschuhen.
„Es ist ein bisschen so, als ob wir am Anfang des Internets stehen und uns fragen, wie sich die Dinge entwickeln werden“, erklärt er.
Im Moment versuchen Unternehmen wie Quantinuum, Berechnungen sowohl auf einem Quanten- als auch auf einem klassischen Computer durchzuführen, die Ergebnisse zu vergleichen und zu sagen: “Wir bekommen die gleiche Antwort.”
„Das ist also die Ära, in der wir Vertrauen aufbauen und sagen können, dass diese Quantencomputer tatsächlich richtig funktionieren“, erklärt Uttley.
Er sagt, dass wir uns in Zukunft so etwas wie eine Quanten-MRT vorstellen können, die in der Lage ist, Ihren Körper so zu verstehen, dass diese Daten in einen Quantencomputer eingespeist werden, um zu sehen, was falsch ist, und den Unterschied zwischen krebsartig und nicht krebsartig erkennen kann. -krebsartig. Dies ermöglicht eine schnellere Behandlung und ihre Anpassung an eine bestimmte Patientenpopulation.
„Was wir heute tun, mag vielleicht etwas weniger sexy erscheinen, aber es ist vielleicht genauso wichtig“, sagt Uttley.
Dabei werden Quantencomputer verwendet, um die besten Verschlüsselungsschlüssel zu erstellen, die erstellt werden können. Die medizinische Gemeinschaft nutzt bereits Quantencomputing, um dies zu tun, und ist begeistert, dass dies eine bessere Möglichkeit ist, Patientendaten so sicher wie möglich zu halten.
Im Juni brachte Quantinuum InQuanto auf den Markt, eine Quantencomputing-Software, die Computerchemikern ermöglicht, die bisher nur Zugang zu herkömmlichen Computern hatten. Dieser Schritt bot die Möglichkeit, über die Probleme nachzudenken, an denen sie arbeiteten, und darüber, was sie mit einem Quantencomputer machen würden. Da Quantencomputer im Laufe der Jahre immer leistungsfähiger werden, sagt Uttley, dass sich die Software von Aufgaben wie der Isolierung eines einzelnen Moleküls zur Lösung größerer Probleme bewegen wird.
„Das wird im Laufe des nächsten Jahrzehnts geschehen, wo ich denke, dass wir in den nächsten 2 bis 3 Jahren die ersten echten Anwendungsfälle sehen werden“, sagt er. Vorerst wird diese Technologie wahrscheinlich zusammen mit klassischen Computern eingesetzt.
Uttley sagt, dass die Fortschritte in der Quantenwelt und in der Medizin weiterhin langsam und stetig wachsen werden, und in den kommenden Jahren werden wir wahrscheinlich sehen, dass die Dinge anfangen zu klicken und schließlich „Volldampf“ zu nehmen.