Квантовые технологии для медицины: новые подходы в вычислениях, защите данных и сенсорике

В аналитическом отчете представлены направления применения квантовых технологий для биомедицины по направлению облачных квантовых вычислений, программно-аппаратным решениям для квантово- устойчивой защиты информации и квантовым сенсорам. Данная информация будет полезна представителям государственных и частных медицинских организаций, профильных институтов развития и научно- технологическому сообществу. Отчет сформирован на основе открытых российских и зарубежных источников.

Аналитический отчет носит информационный характер. Отчет подготовлен коллективом авторов Российского квантового центра (ООО «МЦКТ») в партнерстве с компаниями КуБорд (ООО «ОКТ»), QApp (ООО «КуАпп»), QRate (ООО «КуРэйт»), QLU (ООО «М-Гранат») и ООО «СП «Квант».

Основные авторы отчета: А.К. Федоров, А.П. Гугля, А.А. Божедаров, М.И. Острась, П.Е. Воробьев, М.А. Кольченко.

"На стыке биомедицины и других передовых направлений, таких как квантовые технологии и искусственный интеллект сегодня создаются как новые исследовательские направления, так и прикладные разработки."

Сегодня многие квантовые разработки для медицинской сферы не только существуют в лабораториях, но и начинают выходить на рынок. Речь идет как о пилотных проектах в области квантовых вычислений в интересах крупных фармакологических компаний, так и, например, промышленных прототипах квантовых сенсоров для медицинской диагностики. Газпромбанк традиционно поддерживает научные исследования, технологические проекты и наукоемкие направления производства.

В 2023 году при поддержке Банка был создан «ЛИФТ Центр» (LIFT, Life Improvement by Future Technologies Сenter) — биомедицинский центр, в котором ведущие нейрофизиологи, медики, материаловеды, химики и физики России объединили свои усилия для реализации междисциплинарных исследований в области биомедицины, разработки лекарственных средств и медицинских изделий. Мы убеждены, что поддержка подобных инициатив значительно ускорит внедрение передовых решений в биомедицинскую сферу».

Дмитрий Владимирович Зауэрс

Заместитель Председателя Правления Газпромбанка

"Потенциал квантовых технологий в целом и квантовых компьютеров в частности пока до конца не раскрыт, но однозначно они найдут свое применение в медицине. 1 На стыке биомедицины и других передовых направлений, таких как квантовые технологии и искусственный интеллект сегодня создаются как новые исследовательские направления, так и прикладные разработки.

Например, с помощью некоторых квантовых алгоритмов можно будет осуществлять моделирование динамики химических реакций, что, в свою очередь, даст возможность разрабатывать новые, более эффективные лекарственные средства. Хотя квантовые компьютеры с необходимой для таких задач производительностью еще не созданы, практически все крупнейшие фармкомпании уже экспериментируют в этом направлении. Проводятся интереснейшие исследования по моделированию динамики сворачивания белков — сложнейшей задачи биохимии, которая классическими вычислительными методами не решается. Среди других областей — новые методы диагностики и анализа медицинских изображений, моделирование распространения вируса, оптимизация логистики в больницах и многое другое. Если говорить про чувствительный мониторинг течения заболеваний мозга, то особо интересным направлением является магнитоэнцефалография, в которой главную роль играют высокочувствительные квантовые датчики магнитного поля. С помощью квантовых сенсоров можно измерять и визуализировать биомагнитные поля, что в перспективе позволит диагностировать опухоли головного мозга, эпилепсию и синдром Альцгеймера неинвазивно и с большей точностью, чем существующие методы, такие как ЭЭГ и МРТ. Пока отдельных национальных инициатив по применению квантовых технологий в сфере здравоохранения в России нет, но я надеюсь, что в ближайшее время с развитием этих технологий и повышением соответствующего интереса они появятся».

Руслан Рауфович Юнусов

Советник генерального директора госкорпорации «Росатом»

"Применение квантовых технологий в медицине открывает уникальные возможности для преодоления сложных вызовов как в диагностике, так и в поиске новых методов инновационного лечения.

Здесь можно говорить и об использовании квантовых систем для более точного и раннего обнаружения заболеваний. К примеру, разработка квантовых сенсоров и маркеров для диагностики рака или других тяжелых заболеваний. К методам лечения, базирующимся на квантовых технологиях, можно отнести использование квантовых точек для доставки лекарственных препаратов в организм или разработку квантовых компьютерных моделей для эффективной оптимизации лекарственных препаратов. Применение квантовых вычислений для изучения генома и эпигенетики организма может помочь в понимании процессов развития заболеваний, индивидуализации лечения и создании персонализированной медицины. С точки зрения передовых инженерных разработок, также высокий интерес представляют различные биосистемы, например, такие как интерфейсы для связи нервной системы с искусственными устройствами и программно-аппаратные решения для защиты медицинских данных. Для Сеченовского Университета сотрудничество в этом направлении означает не только возможность применения фронтирных вычислительных технологий в своих исследованиях и разработках в области биомедицины, но и междисциплинарное взаимодействие с ведущими учёными в области квантовых технологий, позволяющее принципиально на ином уровне говорить о развитии отечественной медицины и фармацевтики».

Пётр Витальевич Глыбочко

Ректор Сеченовского Университета Минздрава РФ, академик РАН

"Квантовые технологии сегодня — одно из наиболее перспективных и бурно развивающихся научно- технологических направлений.

Разработки в области квантовых технологий — это сверхмощные квантовые компьютеры, защищенные коммуникации с использованием квантовой криптографии, а также высокоточные квантовые сенсоры. Квантовые компьютеры уже сейчас начинают решать задачи, которые непосильны для классических суперкомпьютеров. Следующий шаг — полезное квантовое преимущество, которые в ряде задач могут обеспечить квантовые технологии. Одна из перспективных сфер применения квантовых технологий — биомедицина. Приложения, например, квантовых компьютеров могут быть очень разнообразны: от ускорения анализа медицинских изображений до полноценного моделирования новых лекарств. Квантово-устойчивые технологии защиты информации актуальны в связи с постоянно возрастающим объемом цифровых коммуникаций в медицинской сфере. Наконец, квантовые сенсоры — инструмент для создания как новых технологий диагностики, так и лечения. В этом отчете дан обзор наиболее интересных кейсов применения квантовых технологий в биомедицинской сфере».

Алексей Константинович Федоров

Руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, директор Института физики и квантовой инженерии Университета «МИСИС»

Использование свойств индивидуальных квантовых систем для решения сложных вычислительных задач:

·создание новых лекарственных препаратов

·ускорение сборки и анализа генома (включая задачи нахождения последовательностей кодонов в гене)

·квантовое машинное обучение в медицине (включая задачи открытия новых биомаркеров и задачи классификации, повышение точности диагностики заболеваний и задачи эпидемиологического прогнозирования)

·моделирование биологических систем.

Надежная защита медицинских и генетических данных от атак настоящего и будущего. Технологии квантовых коммуникаций и постквантовые алгоритмы можно использовать для комплексной защиты данных на различных уровнях информационных систем:

·телемедицина (протоколы, используемые для защиты трафика видеоконференций)

·инфраструктура интернета вещей (шлюзы интернета вещей, сервисы доступа к клиентским данным и внутренняя инфраструктура, контроль целостности передаваемых обновлений программного обеспечения носимых устройств)

·цифровые сервисы хранения и передачи генетических и других данных (каналы связи, аутентификация и блокчейн-сервисы).

Принципиально новые устройства, использующие для измерения физических величин свойства квантовых систем, такие как особенности энергетических уровней в атомах, квантовая когерентность, квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния. Использование квантовых состояний приводит к гораздо более высокой чувствительности квантовых датчиков относительно классических, вплоть до возможности измерения минимально возможных отклонений измеряемой величины:

·диагностика на клеточном и молекулярном уровнях

·магнитоэнцефалография и магнитокардиография

·адресная доставка лекарств.

Квантовые технологии являются одними из ключевых в обеспечении цифрового суверенитета России и уже входят в концепцию нового нацпроекта «Экономика данных». Развитием квантовых технологий активно занимаются ведущие ВУЗы, институты развития, крупнейшие индустриальные компании, такие как Банк ГПБ (АО) и ГК «Росатом», а также стартапы КуБорд, QApp, QRate и QLU.

Достижения в области квантовых технологий были представлены на Форуме будущих технологий-2023 первым лицам государства.

Современная эпоха информационных технологий привела к стремительному развитию компьютерных наук и вычислительной техники. В этом контексте квантовые вычисления представляют собой новаторскую область, которая имеет потенциал изменить общепринятые принципы обработки информации и решения сложнейших вычислительных задач. Квантовые вычислительные устройства основаны на особых принципах квантовой механики, где кубиты (от англ. quantum bit), единицы квантовой информации, могут находиться в суперпозиции основных состояний (нуля и единицы) благодаря явлению квантовой суперпозиции. А явление квантовой запутанности позволяет создавать и обрабатывать сложные состояния из нескольких кубит. Мощности современных суперкомпьютеров позволяют эмулировать квантовые компьютеры размером до 50-60 кубит, при этом отдельные квантовые компьютеры состоят уже из более чем 1000 кубит.

Потенциал квантовых вычислений в медицине особенно важен, поскольку этот сектор нуждается в обработке больших объемов данных, анализе сложных систем и моделировании биохимических процессов. В медицинской практике присутствуют множественные задачи, начиная от диагностики и лечения заболеваний до разработки новых лекарств и персонализированной медицины, где квантовые вычисления могут принести значительные выгоды.

Развитие квантовых вычислений ведется одновременно по нескольким основным направлениям:

·Разработка квантовых вычислительных устройств и их программных эмуляторов

·Cоздание квантовых алгоритмов

·Адаптация существующей ИТ-инфраструктуры для обеспечения доступа к квантовым вычислительным устройствам, включая разработку облачных интерфейсов доступа

Построение квантового компьютера является сложной научной и инженерной задачей. В классических вычислительных устройствах уже несколько десятилетий в качестве основы для компонентной базы используются транзисторы на основе кремния. Для реализации квантовых компьютеров пока не выбраны основные технологии. Однако большой ряд существующих квантовых вычислительных устройств позволяет выделить наиболее перспективные технологии для реализации кубитов. Среди них: сверхпроводниковые цепи, ионы, холодные атомы и кубиты на основе фотонов.

способны выполнять разнообразные квантовые операции. Они предназначены для решения разнообразных задач, включая квантовые алгоритмы поиска, факторизации, оптимизации и моделирования, а также для обработки обширных объемов данных.

Например, квантовые симуляторы, устройства квантового отжига. Специализируются на решении конкретных классов задач. Зачастую, такие квантовые системы могут иметь ограниченный набор логических операций. Узкоспециализированные компьютеры могут быть разработаны для конкретных применений, таких как решение задач дискретной оптимизации или моделирование химических структур.

Программные эмуляторы квантовых вычислений могут до определенного предела имитировать работу квантовых компьютеров, используя классические вычислительные ресурсы. Эмуляторы обычно предоставляют пользователю интерфейс для создания квантовых алгоритмов, математического моделирования запуска квантового компьютера и анализа результатов.

Программные эмуляторы квантовых компьютеров могут быть полезны при разработке новых алгоритмов, проверки их работоспособности на различных входных данных, а также при обучении специалистов в области квантовых вычислений. А отдельные типы эмуляторов могут быть использованы в качестве метода решения практических задач дискретной оптимизации. В отдельных классах задач программные эмуляторы квантовых компьютеров превосходят по точности и скорости работы классические оптимизационные пакеты при решении практических задач.

Облачные платформы квантовых вычислений представляют собой единый интерфейс удаленного доступа пользователей к квантовым компьютерам и программным эмуляторам, а также средства, упрощающие процесс тестирования квантовых приложений и прогнозирования бизнес-эффектов от их индустриального применения.

По мнению ученых, квантовые вычисления сыграют ключевую роль в таких областях, как открытие лекарств, молекулярный анализ и персонализированная медицина

По этой причине в мире начинают уже открываться специализированные медицинские центры, задачей которых является разработка и раннее внедрение квантовых вычислительных методов для здравоохранения.