Hvordan kvanteteknologi kunne revolutionere påvisning og behandling af sygdomme

Når du hører ordet 'kvante, "Du forestiller dig måske fysikere, der arbejder på en ny banebrydende teori. Eller måske har du læst om kvantecomputere, og hvordan de kan ændre verden. Men et mindre kendt felt er også begyndt at høste fordelene af kvanteområdet - medicin.

Som en del af EU's Quantum Technologies Flagship-program, en række kvanteteknologier udvikles i Europa for at transformere en række forskellige områder. Især medicin ser ud til at vinde, med flere projekter i gang nu for at se, hvordan vi kan forbedre medicinsk billeddannelse eller nemmere opdage visse sygdomme.

Et af disse projekter er macQsimal, som bruger små enheder kendt som kvantesensorer til at revolutionere flere områder - kvanteaktiverede atomure, gyroskoper, magnetometre, og mere præcise elektromagnetiske strålings- og gaskoncentrationsmålinger. Projektet, som begyndte i oktober 2018, håber at bringe deres ideer på markedet som nogle af de første kvanteaktiverede teknologier.

"Målet er at bringe produkter som prototyper på markedet, " sagde Dr. Jacques Haesler fra det schweiziske center for elektronik og mikroteknologi (CSEM), projektkoordinator for macQsimal. "I slutningen, (vi ønsker at) være i stand til at tage yderligere skridt og derefter kommercialisere disse enheder. Men vi skal også tænke på den næste generation af kvantesensorer, som vil bruge mere fancy kvanteeffekter som sammenfiltring eller superposition af stater."

Kvante sensorer

En kvantesensor er i bund og grund en meget lille enhed, måske på størrelse med en sukkerbit, der kan foretage meget præcise målinger ved hjælp af kvanteverdenens kendte mærkelighed. Her, partikler er forbundet som én over store afstande, kendt som sammenfiltring, eller endda vises to steder på én gang, kendt som superposition.

Dette kan være særligt nyttigt i ting som hjernebilleddannelse. I øjeblikket, Magnetoencefalografi (MEG) scannere er afhængige af omfangsrigt udstyr, der skal afkøles med flydende nitrogen eller flydende helium. Som resultat, maskinerne er ikke kun store, men de kan ikke gå i nærheden af ​​en persons kranie for at måle hjerneaktivitet - i stedet for at måle langvejs fra ved hjælp af sensorer.

"Målet er at erstatte disse instrumenter med en slags hjelm, som du kan sætte alle sensorerne på, som du kan sætte på kraniet, så du kan forbedre nøjagtigheden af ​​målingen, " sagde Dr. Haesler. "Så kan du lave en hjelm med hundredvis af sensorer. Så kan du måle på hundredvis af forskellige punkter på kraniet, hvor magnetfeltet kommer fra."

MacQsimal-projektet håber at bevise, at dette kan fungere ved hjælp af de magnetometre, det er ved at udvikle. Ved drastisk at formindske størrelsen af ​​udstyret, det kunne være muligt meget lettere at opdage sygdomme i en persons hjerne. Håbet er, at inden for fem år, den teknologi, de udvikler, kunne bruges kommercielt.

Der kan også være andre fordele, såsom hjertebilleddannelse - at tage billeder af hjertet for at tjekke for sygdomme - som kunne have stor gavn af disse mindre og mere præcise sensorer, og lægemiddelopdagelse også - at finde nye lægemidler til at behandle visse sygdomme. "Sandsynligvis er der meget flere anvendelser inden for det medicinske område, " tilføjede Dr. Haesler.

Hyperpolarisering

Ved at undersøge en kvanteteknik kaldet hyperpolarisering, andre forskere ønsker at se, om MR-scannere kan gøres til at være meget mere følsomme og præcise, end de er nu. Dette er målet for et projekt kaldet MetaboliQS-projektet, startede også i oktober 2018.

"Vi forsøger dybest set at gøre MR til måske en faktor 10, 000 mere følsomme, " sagde Dr. Christoph Nebel fra Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics i Tyskland, projektkoordinatoren. "Ved at bruge hyperpolarisering af biomolekyler, som injiceres, disse molekyler er indstillet til at akkumulere i bestemt væv. Og hvis de akkumuleres, MR kan nemmere opdage, hvad der foregår."

Hyperpolariseret MR involverer at tage billeder ved at se på cellernes og molekylernes minutfysik for at se, hvad der foregår inde i vores krop. Dette gøres ved at bruge selektive biomarkørmolekyler, som i øjeblikket skal afkøles til -270°C og derefter varmes op til kropstemperatur. Denne proces tager ikke kun lang tid - mindst 30 minutter - den er også ekstremt dyr.

Men ved at bruge kvantesensorer lavet med diamanter, MetaboliQS-teamet mener, at de kan udføre hele processen med mild afkøling eller ved stuetemperatur uden afkøling overhovedet. Dette kunne gøre det muligt for MR-maskiner lettere at observere tidsfølsomme effekter i kroppen, såsom kræftvæv, og også tage mere detaljerede billeder.

"Når du forbedrer billederne, ser du flere detaljer, du kan skelne mellem tidlig sygdom eller senere fase, eller dødt væv, " sagde Dr. Nebel. "At have bedre billeder betyder, at du gør din medicinske forståelse meget bedre."

Dette kunne også åbne nye veje for MR-scannere, såsom forskning i implantater eller forståelse af, hvordan sygdomme udvikler sig i menneskekroppen. Og hvis det lykkes, MR-billeddannelse kan være et af de første sundhedsområder, der drager fordel af kvanteteknikker allerede i 2020. "Hyperpolarisering er bestemt noget, der kan være den første rigtige (medicinske) anvendelse af kvanteteknologi, " sagde Dr. Nebel.

Sundhedsmæssige forhold

Hvis disse projekter lykkes, rækken af ​​betingelser, de kan håndtere, er enorm. Dr. Haesler bemærker, at demens og Alzheimers begge kunne diagnosticeres lettere ved hjælp af mere præcise MR-scannere. Og hjerte- og hjernebilleddannelse ville gavne, giver mulighed for at se andre problemer med finere detaljer.

"Med disse kvantesensorer udvikler vi i øjeblikket, du kan registrere ny neuronaktivitet ganske fint, " sagde Dr. Nebel. "Vi kan grundlæggende undersøge meget små molekyler, biosystemer. Dette er dybest set MR på nanoskala."

De næste skridt nu vil være at bringe disse produkter på markedet, og bevise, at de kan kommercialiseres. Og med hjælp fra EU's kvanteflagskibsprogram, Det er håbet, at teknologier som disse kan være starten på en spændende ny kvanteæra, der har en direkte indflydelse på vores liv.

Og det er ikke kun inden for medicinens områder. Programmet ser også på måder at udvikle bedre atomure og andre enheder, der kunne forbedre, for eksempel, hvordan vi bruger vores mobiltelefonnetværk. Men det er de medicinske applikationer, der sandsynligvis kommer først, med afgørende betydning for vores helbred.

"Om fem år vi mener, at atomuret og magnetometret skal ind på markedet, " sagde Dr. Haesler. "Vi arbejder også på anden generation af sensorer, som er mere følsomme, og kan komme på markedet om 15 til 20 år."