22. Nov. 2022 – Die 1960er markiert der Einzug des Computers in die Medizin. Teure, schwerfällige Plastik- und Metallteile, die (vielleicht) Testergebnisse schneller zu einem Arzt bringen könnten. In den 1980er Jahren konnten die ersten wirklich differenzierenden Funktionen von Computern angeboten werden – klinisch, finanziell, administrativ – und 1991 veröffentlichte das Institute of Medicine das erste Manifest darüber, 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 braut sich zusammen, von dem noch nicht viele Leute wissen: Quantum Computing, eine völlig neue Art der Datenverarbeitung, die bereits begonnen hat, alles voranzutreiben, von der Arzneimittelentwicklung und Krankheitserkennung bis hin zur Sicherheit elektronischer Aufzeichnungen.
„Stellen Sie sich vor, es wäre der Übergang von Licht durch Feuer und Kerzen zu Strom, und es gibt eine Glühbirne, die alles beleuchtet“, sagt Lara Jehi, MD, Chief Research Information Officer der Cleveland Clinic.
Was ist Quantencomputing?
Klassische Computer (auch bekannt als Binärcomputer), die die Grundlage der heutigen Geräte bilden, 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, ist derzeit führend bei dieser neuen Technologie. Ein weit verbreitetes Missverständnis über Quantencomputer ist, dass sie „eine nächste Evolution von Computern sind, die schneller werden“, sagt Frederik Flöther, PhD, Life Sciences and Health Care Lead bei IBM Quantum Industry Consulting. Stattdessen möchte er, dass wir Quantencomputing als etwas völlig Neues betrachten, „weil es grundsätzlich eine andere Hardware, eine andere Software ist, nicht nur eine Weiterentwicklung derselben“.
Wie unterscheidet es sich von bestehenden Computern? Quantencomputing befasst sich mit der Natur. Daher müssen Qubits auf der natürlichen Welt basieren. Was bedeutet das? Der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Physiker Richard Feynman wurde berühmt mit den Worten zitiert: „Die Natur ist nicht klassisch, verdammt, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen wollen, machen Sie sie besser quantenmechanisch, und zum Teufel, es ist ein wunderbares 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 sie. Aber Quantencomputing nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik. „Genau so funktioniert die Natur, denn sie basiert auf der Grundeinheit von allem in der Natur, der atomaren Struktur.“
Wirklich sehr, sehr klein. Und deshalb könnte Quantencomputing eine bahnbrechende Technologie in der Medizin sein.
„Quantencomputer können verwendet werden, um eine Reihe verschiedener Lösungen für ein Problem gleichzeitig darzustellen und dann auf die optimale Lösung herunterzubrechen, diejenige, die tatsächlich funktioniert“, sagt Tony Uttley, Präsident und Chief Operating Officer von Quantum, eine Zusammenarbeit zwischen Cambridge Quantum und Honeywell Quantum Solutions, die daran arbeitet, die Zukunft des Quantencomputings voranzutreiben. „Und der Grund dafür sind einige fabelhafte Eigenschaften der Quantenphysik.“
Aufbau eines Brückenkopfes für Quantencomputing
Wissenschaftler auf der ganzen Welt untersuchen Quantencomputer und untersuchen, wie sie diese Technologie nutzen können, um große Fortschritte in der medizinischen Welt zu erzielen.
IBM hat das IBM Quantum Network gegründet und arbeitet mit verschiedenen Organisationen zusammen, von Start-ups bis hin zu Fortune-500-Unternehmen, um Technologien in verschiedenen Umgebungen zu entwickeln und zu testen. Eine dieser Partnerschaften mit der Cleveland Clinic soll den „Discovery Accelerator“ etablieren, der sich auf die Verbesserung der Gesundheitsversorgung 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 der über 1.000 Qubit-Quantensysteme der nächsten Generation von IBM auf dem Campus der Cleveland Clinic installieren, mit dem sie die vielen vorhergesagten Quantencomputer weiter untersuchen wollen Vorteile.
Aber was sind diese Vorteile?
Arzneimittelforschung und -entwicklung
Die Quantenchemie ist ein Hauptbereich, in dem Quantencomputing helfen soll.
„Die unmittelbare Anwendung wäre die Arzneimittelforschung“, sagt Jehi. Wenn Wissenschaftler Medikamente herstellen, sitzen sie in einem Labor und entwickeln verschiedene chemische Formeln für das, was dieses Medikament ausmachen könnte.
„Aber damit wir wirklich wissen können, ob es funktionieren wird, müssen wir uns vorstellen können, wie diese chemische Zusammensetzung in eine Struktur übersetzt wird“, sagt sie.
Selbst in ihrer leistungsstärksten Form sind die heutigen Supercomputer 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 am Ende die Medikamente 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 werden.”
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 jemals physisch herstellen müssen.
Aufgrund ihrer Unterschiede zum klassischen Rechnen sind Quantencomputer nicht in ihrer Fähigkeit beschränkt, zu simulieren, wie verschiedene Verbindungen auftreten können. In der Lage zu sein, die Verbindungen zu simulieren, aus denen Medikamente hergestellt werden, kann zu einer schnelleren Entdeckung von Medikamenten zur Behandlung eines breiten Spektrums von Erkrankungen führen.
Krankheitsanalyse
Letztendlich könnte diese Technologie bei der Krankheitsanalyse helfen und auf molekularer Ebene arbeiten, damit Computer/KI beispielsweise Krebsmoleküle betrachten 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 damit umgehen müssen, und wie sich eine Person in diesem Fall fühlt, kann von Tag zu Tag variieren, basierend auf Dingen wie dem, was eine Person isst, dem Wetter oder den Medikamenten, die sie einnimmt.
„Es gibt so viele verschiedene Möglichkeiten, was den Verlauf eines Patienten auf die eine oder andere Weise verändern könnte“, sagt Jehi.
Sie betont, dass es sehr schwierig ist, das Aussehen dieser Gruppe nachzuahmen, wenn wir eine Gruppe von Patienten haben und wir alles erfasst haben, was ihnen auf ihrem Krankheitsweg passiert ist, und dann die Auswirkungen dieser verschiedenen Interventionen darauf mit traditionellen zu untersuchen rechnen.
„Es wird einfach viel zu kompliziert, und die Computer, die wir haben, können mit der Analyse der Auswirkungen der verschiedenen Möglichkeiten nicht Schritt halten. Es wird durcheinander gebracht”, sagt Jehi.
Aber Quantencomputing kann Quantenmaschinenlernen bieten, was bedeutet, dass Sie diese spezielle Quantenfähigkeit nutzen, um mit verschiedenen Simulationen und verschiedenen Möglichkeiten umzugehen.
Die Cleveland Clinic untersucht beispielsweise, wie einige Patienten, die sich allgemeinen Operationen unterziehen, nach ihren Eingriffen Herzkomplikationen haben.
„Es wäre transformativ, wenn wir im Voraus erkennen könnten, wer das höchste Risiko für einen Herzinfarkt nach der Operation hat, damit wir uns besser um diese Menschen kümmern könnten“, sagt sie.
Der aktuelle Datensatz der Klinik umfasst Aufzeichnungen von 450.000 Patienten, und die aktuelle KI/maschinelles Lernen macht die Durchsicht dieser Daten sehr langsam und komplex. Die Klinik verwendet Ansätze des maschinellen Lernens, um einen synthetischen Datensatz zu erstellen, eine kleinere Gruppe, die eine Nachbildung der viel größeren ist. Die Quantentechnologie könnte diese Analyse verbessern und beschleunigen, um leistungsfähigere Modelle zu erstellen.
Krankheitserkennung
„Stellen Sie sich vor, Sie machen einen CT-Scan“, sagt Uttley. „Es gibt bereits KI-Lösungen, mit denen man diese Reihe von Bildern durchgehen und fragen kann: ‚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 die KI etwas 100.000 Mal gesehen hat, kann sie oft etwas anderes finden, das so aussieht.
Aber die heutigen klassischen Computer sind nicht dafür ausgestattet, etwas Unbekanntes zu identifizieren. “Das sind Orte, an denen Quantencomputer viel besser an Bilder denken und sagen können: ‘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 Forscher mit einem Quantencomputer herausfinden, welche Dinge könnte aussehen.
„Das Schöne am Quantencomputing ist, dass es sich um eine Bias-Formation in der Quantenphysik handelt, dieses eher probabilistische Design. Und so können Sie dieses probabilistische Design nutzen, um ihnen zu helfen, darüber nachzudenken“, sagt Uttley.
Wie weit sind wir entfernt?
Uttley sagt, wir befinden uns in einer aufstrebenden Ära des Quantencomputings. Quantencomputer existieren, und das ist eine große Sache, aber viele dieser Technologien befinden sich noch in einem ziemlich frühen Stadium.
„Es ist ein bisschen so, als stünden wir am Anfang des Internets und würden uns fragen, wie es weitergeht“, erklärt er.
Im Moment bemühen sich 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.
In Zukunft, sagt er, können wir uns möglicherweise so etwas wie eine Quanten-MRT vorstellen, die in der Lage ist, Ihren Körper so zu verstehen, dass diese Daten an einen Quantencomputer übertragen werden, um festzustellen, was nicht in Ordnung ist, und in der Lage zu sein, den Unterschied zwischen krebsartig und nicht zu erkennen -krebsartig. Dies ermöglicht schnellere Behandlungen und deren Anpassung an bestimmte Patientenpopulationen.
„Was wir heute tun, mag etwas weniger sexy erscheinen, ist aber vielleicht sogar genauso wichtig“, sagt Uttley.
Dies verwendet Quantencomputer, um die besten Verschlüsselungsschlüssel zu erstellen, die hergestellt werden können. Die medizinische Gemeinschaft, die dafür bereits Quantencomputer einsetzt, ist begeistert, dass dies ein besseres Mittel ist, um Patientendaten so sicher wie möglich zu halten.
Im Juni brachte Quantinuum InQuanto auf den Markt, eine Quantencomputing-Software, die Computerchemikern ermöglicht, die bisher nur klassische Computer zur Verfügung hatten. Der Umzug bot die Gelegenheit, 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 die Software von Aufgaben wie der Isolierung eines Moleküls zur Lösung größerer Probleme übergehen wird.
„Das wird im Laufe des nächsten Jahrzehnts geschehen, wo ich denke, dass wir in den nächsten wahrscheinlich 2 bis 3 Jahren die ersten echten Anwendungsfälle sehen werden“, sagt er. Vorerst wird diese Technologie wahrscheinlich zusammen mit klassischen Computern verwendet.
Uttley sagt, dass der Fortschritt in der Quantenwelt und in der Medizin weiterhin langsam und stetig wachsen wird, und in den kommenden Jahren werden wir wahrscheinlich sehen, dass die Dinge anfangen zu klicken und dann schließlich „mit voller Kraft“ abheben.