2021 год
IBM и клиника Кливленда открыли совместный центр Discovery Accelerator для проведения исследований в области биологии и здравоохранении с использованием высокопроизводительных квантовых вычислений и технологий искусственного интеллекта.
2023 год
В Израиле появился квантовый центр для здравоохранения и наук о жизни, сооснователями которого стали компания NVIDIA, израильский стартап Classiq, а также расположенная в Тель-Авиве клиника Ихилов (Сураски) — одна из первых в мире, начавшая внедрение технологий искусственного интеллекта в медицине.
Создание лекарственных препаратов
Область создания новых лекарств привлекает наибольшее количество гигантов рынка, в числе которых Moderna, Sanofi, AstraZeneca, JSR Life Sciences, Roche, немецкий фармацевтический гигант Boehringer Ingelheim и другие. Квантовые вычисления позволят более точно моделировать сложные химические структуры. Использование квантовых вычислений поможет ускорить процесс создания новых лекарственных препаратов. Уже сейчас разрабатываются подходы к применению квантовых аннилеров, а также демонстрируется принципиальная возможность использовать текущее поколение квантовых компьютеров для решения практических задач в области медицины.
2023 год
IBM и Moderna работают над усовершенствованием мРНК-вакцин. Целью проекта является разработка оптимального материала для липидной оболочки, позволяющей доставить мРНК в целевую клетку. Для этого Moderna планирует использовать предобученную квантовую нейронную сеть IBM MoLFormer, которая умеет предсказывать физические свойства различных молекулярных комплексов по данным об их структуре.
Другие направления исследований в области квантовых вычислений направлены на прогнозирование положительных терапевтических эффектов и оценку побочных эффектов на ранних стадиях открытия медикаментов.
Генетика
Квантовые вычисления уже используются для сборки генома — метода восстановления последовательности структуры ДНК на основе коротких фрагментов генетической информации, полученных при секвенировании генома. Квантовые алгоритмы уже апробированы для сборки генома простейших бактериофагов. С ростом вычислительной мощности квантовых компьютеров разработанные алгоритмы будут применимы для анализа генома человека.
Отдельные фармацевтические компании уже начали экспериментировать с квантовыми вычислительными устройствами, решая задачи нахождения последовательностей генетического кода, называемых кодонами. Например, разработанная Российским квантовым центром, компанией КуБорд и компанией Genotek методика сборки генома с использованием квантовых алгоритмов значительно облегчила изучение новых видов и структурных изменений ДНК, которые не удается обнаружить методом классического картирования, и геномных перестроек в раковых клетках.
Квантовое машинное обучение в медицине
Потенциал квантового машинного обучения может быть использован для открытия новых биомаркеров для лечения рака. Ряд исследований в области квантового машинного обучения направлен на изучение генетических заболеваний — разработаны квантовые алгоритмы, которые могут классифицировать геномные данные многократно быстрее, чем обычный компьютер. Квантовые алгоритмы предложено использовать для повышения качества изображений, полученных методами медицинской визуализации, таких как компьютерная, магнитно-резонансная томография и рентгеновское сканирование.
2023 год
Компания QC Ware, специализирующаяся на квантовом программном обеспечении, сообщила о результатах совместного исследовательского проекта с Roche Pharma Research и INRIA CNRS — ведущими биотехнологическими компаниями.
Изучались возможности квантового машинного обучения в задаче анализа медицинских изображений сетчатки глаза для выявления диабетической ретинопатии и определения её типа. Исследование проводилось с помощью программного эмулятора квантового компьютера, а также с использованием до 6 кубитов квантового компьютера IBM. Результаты показали, что квантовые алгоритмы машинного обучения оказались заметно эффективнее классических при анализе изображений с высоким разрешением.
Моделирование биологических систем
Квантовые компьютеры позволят проводить более точное и детальное моделирование биологических систем, включая биохимические процессы и молекулярные взаимодействия. Эти исследования позволят разработать более точные прогнозы эффективности лекарственных препаратов, предсказать развитие заболеваний и определить оптимальные методы лечения для каждого конкретного пациента.
Квантово-устойчивая защита медицинских и генетических данных
Квантовая угроза
Это новый вызов информационной безопасности. Квантовая угроза связана с возможностью получения злоумышленником доступа к зашифрованным традиционными методами данным в результате проведения кибератаки с применением квантового компьютера.
Новые поколения вычислительных устройств – мощные квантовые компьютеры – за счет принципиально новых принципов обработки информации смогут взломать существующие методы защиты информации.
В перспективе нескольких лет полностью небезопасными становятся многие традиционные алгоритмы:
·Распределение ключей (ECDH, DH)
·Асимметричное шифрование (RSA)
·Электронная подпись (ECDSA, DSA, ГОСТ Р 34.10-2012)
Технологии квантовых коммуникаций (квантового распределения ключей) и постквантовые алгоритмы позволяют надежно защитить данные от атак с применением как классических, так и квантовых компьютеров.
Квантовые коммуникации
Технология
Квантовые коммуникации — это технология кодирования, передачи и приема квантовой информации.
Один из видов квантовых коммуникаций, квантовое распределение ключей, — метод распределения симметричных ключей между узлами сети связи, использующий квантовые явления. Данный метод позволяет гарантировать быструю и безопасную передачу симметричного криптографического ключа между абонентами, что дает возможность решить широко известную проблему распределения симметричного ключа — одну из центральных проблем в криптографии. Использование квантового криптографического ключа, полученного таким образом, повышает криптостойкость классических методов шифрования и автоматизирует процесс распределения ключей, исключая человеческий фактор. Различные методы распределения квантовых ключей в совокупности с классическими криптографическими алгоритмами часто называют «квантовая криптография».
В современных условиях появление мощных персональных вычислителей, методов искусственного интеллекта, передовых математических алгоритмов не только упростило получение доступа к чувствительной информации, как для отдельных людей, так и для больших организаций. Это также создает существенную угрозу растущему интернету вещей, на базе которого функционирует всё больше индустриальных, промышленных и государственных предприятий. В свою очередь развитие систем квантовых коммуникаций стало ответом на еще более серьезный вызов: создание квантовых вычислителей, которые способны взламывать многие современные алгоритмы шифрования.
Одной из перспективных мер по надежной защите информации в свете возникающих угроз является использование систем квантового распределения ключей с использованием волоконно-оптических линий связи. Использование выработанного таким образом квантового криптографического ключа в совокупности с шифром «одноразовый блокнот» (шифр Вернама) может обеспечить информационнотеоретическую стойкость.
Системы квантового распределения ключей позволяют полностью исключить возможность перехвата ключа на стадии передачи, а также исключить влияние человеческого фактора из процедуры управления ключами. Ключ создается на основе данных истинно случайного генератора случайных чисел и является неизвестным ни одному из администраторов.
Системы квантового распределения ключей могут применяться с традиционными системами криптографической защиты информации, используемых для обеспечения безопасности сетевой инфраструктуры, где позволяет вырабатывать и распределять ключи с помощью принципов квантовой физики, сильно снижая человеческий фактор.
Например, в рамках проекта ЕС OpenQKD, совместными усилиями Медицинского университета Граца (Австрия), компании FragmentiX и ее партнерам удалось успешно реализовать проект по использованию технологий квантовых коммуникаций для защиты цифровых медицинских снимков и генетических данных.
Применение в медицине
Многие технические устройства, использующиеся в медицине, производящие мониторинг и влияющие на функциональные жизненные показатели, в обозримом будущем будут представлять из себя единое сетевое интерфейсное окружение, определяющее себя как медицинский интернет вещей. Стоит отметить также, что несмотря на развитую базу в области регулирования средств защиты информации (в том числе криптографических), сохраняется тенденция к наделению особым статусом и выделению в отдельную категорию с присвоением собственной классификации медицинским кибернетическим изделиям, имеющим возможность нанесения потенциального ущерба здоровью и безопасности пользователя.
Обоснование предложения происходит по причине различного жизненного цикла информационных управляющих систем и конечных исполнительных устройств. Данная тенденция четко прослеживается в современном информационно-технологическом кластере и демонстрирует большое количество обновлений программной составляющей аппаратно-программных комплексов за время жизненного цикла аппаратной составляющей изделия.
При всем этом, распределенные системы повсеместной цифровизации медицинских карт, содержащих сведения о пациенте, могут быть перехвачены и использованы злоумышленниками в корыстных целях. Совокупность всех факторов и угроз информационной безопасности делает перспективной применение систем квантовых коммуникаций в медицине.
Постквантовые алгоритмы
Технология
Постквантовые алгоритмы — новый класс криптографических алгоритмов, устойчивых к кибератакам с применением как классических, так и квантовых компьютеров. Постквантовые алгоритмы могут быть достаточно легко интегрированы в существующую инфраструктуру, например, мобильные приложения и веб-сервисы, а также инфраструктуру интернета вещей.
Программные решения на основе постквантовых алгоритмов не требуют привнесения новых специализированных аппаратных решений в инфраструктуру конечного бизнес-клиента, при этом некоторые параметры постквантовых алгоритмов могут быть ускорены на аппаратном уровне.
В России идет процесс разработки государственных стандартов для постквантовых алгоритмов, а компании различных индустрий активно пилотируют программные решения. Например, Национальная платежная система МИР (НСПК), Газпромбанк, МЦСТ Эльбрус и другие компании уже имеют успешный опыт завершения научно-исследовательских и пилотных интеграционных проектов.
Применение в медицине
Промышленный и потребительский интернет вещей
Медицинские IoT-устройства позволяют врачам получать основные медицинские данные о пациентах, корректировать лечение и устанавливать дозировку удаленно. Наиболее распространенное применение IoT в медицине – удаленный мониторинг состояния здоровья пациента. IoT-устройства могут собирать такие показатели здоровья, как частота сердечных сокращений, артериальное давление, температура и т. д., от пациентов, которые физически не присутствуют в медицинском учреждении, что устраняет необходимость для пациентов ездить к поставщикам медицинских услуг или пациентам собирать их самостоятельно. Отдельное место в этом ряду занимают IoTустройства, занимающиеся непрерывным измерением уровня глюкозы в крови больного сахарным диабетом. Такие устройства способны предупреждать пациентов/врачей о резком изменении уровня глюкозы.
К другим IoT-устройствам относятся приборы, отслеживающие частоту сердцебиения, «умные ингаляторы», позволяющие собирать данные о возбудителях приступов астмы, устройства, отслеживающие симптомы у больных болезнью Паркинсона, и многие другие. Чтобы максимально эффективно использовать IoT в здравоохранении, необходимо решить критические проблемы безопасности: конфиденциальность собираемых IoTустройствами данных и обеспечение доступа к управлению этими устройствами только со стороны «доверенных» пользователей. Постквантовая криптография позволяет защитить IoT-устройства от квантовой угрозы.
Телемедицина
Телемедицина является одной из наиболее быстро растущих областей здравоохранения в мире. Одним из основных ее направлений являются телемедицинские консультации. Очевидно, что во время такой консультации существует риск раскрытия медицинских данных пациента, поэтому используемые каналы связи должны быть надежно защищены с помощью криптографических методов, часть из которых уязвимы к атакам с применением квантовых компьютеров. Таким образом, для обеспечения информационной безопасности телемедицины в условиях существования квантового компьютера необходимо внедрение постквантовых криптографических алгоритмов в протоколы, используемые для защиты трафика видеоконференций.
Защита генетических данных
Генетические данные должны подлежать особой защите, поэтому к вопросам безопасности используемых для этого криптографических алгоритмов необходимо подходить с особой тщательностью. Квантовая угроза не несет опасности в случае локального хранения генетических данных, однако ее нельзя вычеркивать из рассмотрения при рассмотрении случая защищенной передачи этих данных. В таком случае необходимо использование постквантовых алгоритмов для выработки общего криптографического ключа, который будет использоваться для шифрования генетических данных. Помимо этого постквантовая криптография дает новые возможности для исследований ДНК. Речь идет об использовании конфиденциальных вычислений, позволяющих сохранять в секрете данные, над которыми производятся вычисления.
Изучение последовательностей ДНК и РНК человека является важным для биологии и медицины. Некоторые исследования сложных заболеваний или вирусов требуют тысячи образцов ДНК для выявления закономерностей и получения достоверных результатов. Однако последовательности ДНК и РНК являются биометрическими идентификаторами человека, что делает их передачу в руки исследователей затруднительной. Таким образом, использование конфиденциальных вычислений позволят производить обработку/анализ генетических данных без их раскрытия. Конфиденциальные вычисления могут быть произведены с использованием постквантового гомоморфного шифрования.
Интеллектуальная собственность
Фармацевтические компании и компании, производящие медицинское оборудование, вкладывают значительные средства в исследования и разработки. Защита интеллектуальной собственности, связанной с разработкой лекарств и новых медицинских устройств, имеет ключевое значение в конкурентной борьбе.
Эффективная защита медицинских данных
Практически любой медицинский сервис, использующий преимущество современных информационных технологий, начиная от облачных хранилищ и заканчивая медицинскими приложениями на различных устройствах, потенциально уязвим перед квантовой угрозой. Это связано с тем, что взаимодействие с сервисом сопряжено с выстраиванием безопасного канала связи. Некоторые криптографические примитивы, используемые при этом, могут быть взломаны с помощью квантового компьютера. Противостоять этому можно с помощью программных решений информационной безопасности на основе постквантовых алгоритмов шифрования.
Аппаратные решения на основе технологии квантовых коммуникаций и программные решения на основе постквантовых алгоритмов не противоречат друг другу и могут использоваться совместно для обеспечения комплексной защиты ИТинфраструктуры медицинской организации от атак настоящего и будущего.
Квантовые сенсоры
Технология
Сегодня прогресс в биомедицинских науках зачастую стимулируется разработкой новых инструментов с улучшенной чувствительностью и разрешающей способностью, благодаря которым становится возможным обнаружение слабых биологических сигналов. Постепенные улучшения в ставших уже классическими методах диагностики (КТ, МРТ, ПЭТ) привели к огромному прогрессу в здравоохранении, но дальнейшее повышение чувствительности и разрешающей способности этих методов кажется сложным (а иногда и невозможным) с использованием стандартных подходов. Наиболее многообещающим направлением для нового поколения медицинской техники, основанной на более чувствительных измерительных системах, является область квантовой сенсорики.
Квантовое сенсоры – это 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. До недавнего времени квантовые сенсоры были представлены в основном в лабораториях, однако на сегодняшний день происходит их значительный трансфер из науки в индустрию, в частности, в медицину.
Применение в медицине
Диагностика на клеточном и молекулярном уровнях
Некоторые квантовые датчики (например, основанные на азото-замещенных вакансиях в алмазе) могут быть размером с один атом и, как следствие, обладают непревзойденной пространственной разрешающей способностью. Такие микроразмерные квантовые сенсоры могут использоваться для мониторинга биологических процессов внутри клеток, минимизируя воздействие на их работу за счёт своего размера. Их чувствительность и размер позволяют регистрировать температуру и магнитные поля отдельных клеток, что в свою очередь, может помочь в изучении метаболизма и исследовании электрической активности отдельных нейронов.
К примеру, недавнее исследование датских ученых показывает, что высокочувствительные датчики, использующие азотные центры окраски в алмазе, позволяют регистрировать слабое магнитное поле, индуцируемое ионными токами в аксонах мозолистого тела мозга мыши и так восстанавливать сигналы от распространения «потенциала действия» нейронов. Алмазные датчики позволяют измерять сигналы нервных клеток без повреждения ткани и с большой чувствительностью. Такой подход сделает возможным более точное изучение изменений, происходящих на самых ранних стадиях нейродегенеративных заболеваний, и поможет развитию новых методов их лечения.
Магнитоэнцефалография
Квантовые магнитометры активно применяются в медицине для магнитоэнцефалографии (МЭГ), метода, основанного на регистрации магнитной компоненты электромагнитного излучения нейронов. В отличие от электроэнцефалографии, МЭГ имеет очень высокое временное и пространственное разрешение, что позволяет с более высокой точностью обнаруживать и локализовывать эпилептогенные зоны, а также помогать в выявлении на ранней стадии таких комплексных заболеваний, как шизофрения, аутизм, болезнь Альцгеймера и другие.
Адресная доставка лекарств
Ещё одной областью, где могут использоваться квантовые сенсоры, является адресная доставка лекарств. Это стратегия, при которой медикаменты доставляются прямо к определенной ячейке или ткани в организме, минимизируя воздействие на здоровые клетки. Такой метод позволяет снизить побочные эффекты лекарств и повысить их эффективность. Тераностика представляет собой симбиоз терапии и диагностики. Эта концепция предоставляет возможность одновременного определения и лечения заболевания. Например, носители для адресной доставки лекарств могут также включать в себя компоненты для визуализации, что позволяет отслеживать процесс лечения и оценивать его эффективность. Квантовые сенсоры могут решать проблемы с детектированием и визуализацией таких носителей.
