Hvordan jagten på en skalerbar kvantecomputer hjælper med at bekæmpe kræft

I dag, en person med brystkræft kan gennemgå flere runder af kemoterapi og tilbringe måneder i limbo, før medicinske scanninger kan vise, om den særlige cocktail af giftige lægemidler krymper tumoren.

Forskere fra Case Western Reserve University arbejder på at ændre det. De har været banebrydende for en ny tilgang kaldet Magnetic Resonance Fingerprinting, som bruger mere følsomme scanningsteknikker, som de forventer kunne opdage, om behandlingerne virker efter blot én dosis kemo.

"Vi tror, ​​vi kan begynde at se disse ændringer inden for en uge, i forhold til seks måneder, "sagde Mark Griswold, Case Western Reserve professor i radiologi og direktør for MRI-forskning. "Det er virkelig vigtigt for både patientforløb og livskvalitet, for hvis din kemoterapi ikke virker, du forgiftede bare din krop for ingenting. "

Den nye metode lover utroligt meget, men at designe scanningerne til hurtigt og præcist at diagnosticere sygdom er et enormt udfordrende beregningsproblem, der kræver innovative tilgange. Nu har forskerne fra Case Western Reserve fundet en løsning på det problem – og set dramatiske forbedringer – ved hjælp af algoritmer udviklet af Microsofts kvantecomputerteam.

Microsofts "kvanteinspirerede" algoritmer, designet til at drage fordel af fremtidige kvantecomputere, låne fra kvantefysikkens principper for at løse ekstremt vanskelige beregningsproblemer. Men de er også i stand til at køre på klassiske computere, der er bredt tilgængelige i dag.

De har gjort det muligt for Case Western Reserve-teamet at producere scanninger, der er op til tre gange hurtigere end tidligere avancerede tilgange, samt scanninger, der er næsten 30 procent mere præcise i måling af en nøgleidentifikator for sygdom.

Disse fremskridt kan hjælpe læger med at opdage kræft og andre sygdomme tidligere, udvikle nye lægemidler til tilstande, hvor det er svært at måle fremskridt i dag, eller brug billeddiagnostik til at diagnosticere kræftformer i stedet for at stole på invasive procedurer som biopsier.

Microsofts kvante-inspirerede algoritmer er særligt nyttige til optimeringsproblemer – som involverer at gennemsøge en lang række muligheder for at finde en optimal eller effektiv løsning – som er så komplekse og kræver så meget computerkraft, at de nuværende teknologier kæmper for at løse dem.

Typiske eksempler kan omfatte at sikre, at trafikken flyder gnidningsløst hen over et helt hovedstadsområde, at tildele gate- og asfaltplads i en travl international lufthavn eller bestemme, hvordan man bedst kan ordne komplicerede fremstillingsprocesser på tværs af mange forskellige stykker udstyr.

Ud over at styrke Case Western Reserves arbejde for hurtigere og mere pålideligt at opdage kræft og andre sygdomme, Microsofts kvanteteam samarbejder også med Dubai Electricity and Water Authority, som bruger kvanteinspirerede algoritmer til at finde ud af, hvordan man ideelt set balancerer ressourcer fra forskellige energikilder på tværs af hele sit elnet.

Willis Towers Watson, en global rådgivning, mægler- og løsningsfirma, undersøger også, hvordan Microsofts kvante-inspirerede algoritmer kan forbedre de komplekse matematiske modeller, som virksomheden bruger til at kvantificere risiko og informere investeringsstrategier.

Microsoft-forskere udviklede algoritmerne som en del af en større indsats for at skabe branchens mest stabile og skalerbare kvantecomputer ved hjælp af kvanteinformationspartikler kaldet topologiske qubits. Når først det er bygget, forskerne siger, at kvantecomputerplatformen kunne give videnskabsfolk mulighed for at udføre beregninger på få minutter, som ville tage nuværende computere milliarder af år.

De kvanteinspirerede algoritmer simulerer, hvordan disse systemer fungerer, men kan køres på eksisterende computere. Mens udviklingen af ​​en kvantecomputer til generelle formål fortsætter med at udvikle sig, virksomheder i dag kan slutte sig til Microsoft Quantum Network for at få adgang til nye kvanteinspirerede tjenester, der fungerer med Microsoft Azure og klassisk computerhardware som centrale processorenheder (CPU'er), grafikbehandlingsenheder (GPU'er) og feltprogrammerbare gate-arrays (FPGA'er).

"Det viser sig, at kvantetænkning og erfaringer, vi har lært af at programmere computeren, har ført os til et gennembrud, som vi i dag kan køre klassisk, " sagde Julie Love, Microsofts direktør for kvantevirksomhedsudvikling.

Det giver Microsoft-teamet mulighed for at udvikle og accelerere kundeløsninger inden for sundhedssektoren, økonomistyring, olie- og gas- og bilindustrien, hun sagde.

"Der kommer mere kraftfuld hardware, men disse kvantefremskridt sker nu, "Sagde kærligheden.

'Resultater, vi bare ikke har kunnet se med noget andet'

Som enhver forælder ved, det er muligt at lægge din hånd på et barns pande og få en nyttig fornemmelse af, om han eller hun måske har feber.

Men uden et termometer til at måle temperaturen, det er sværere at træffe en informeret beslutning om, hvad man skal gøre – om man skal vente og se, behandle med medicin eller skynde dig på hospitalet.

Magnetisk resonans-fingeraftryk er en teknik til at give læger, der tolker en MRI, den samme grad af kvantitativ præcision på tværs af en række vævsegenskaber, snarere end at stole på erfaring for subjektivt at afgøre, om lysstyrken eller farven på et bestemt område angiver, at vævet er sygt eller sundt. Det er i øjeblikket i brug på en halv snes akademiske medicinske centre, og mere udbredt anvendelse forventes i de kommende år, sagde forskere.

"Millioner og atter millioner af mennesker er blevet reddet eller fået deres liv forbedret ved MR, men det, vi har gjort indtil nu, svarer stort set til at lægge vores hånd på nogens hoved, " sagde Griswold. "Den store ændring, som fingeraftryk tillader, er, at vi kan få tallene, som en temperaturaflæsning, der giver dig mulighed for direkte at stille en diagnose. "

Magnetisk resonans fingeraftryk, som har vist sig at overgå sammenlignelige kvantitative MR-protokoller med en faktor på 1,8, producerer numeriske målinger af vævsegenskaber for hver eneste pixel i et billede. Den opnår dette ved at bruge langt mere indviklede pulssekvenser - harmløse radiobølger, der kombineres med magnetiske felter for at generere karakteristiske signaler fra forskellige typer fedt, væv eller tumorer i en patients krop.

Disse datakrævende mønstre sammenlignes derefter med et stort bibliotek af væv med et kendt magnetisk resonans "fingeraftryk", der kan beregnes direkte ud fra fysiksimuleringer. Med tilstrækkelig præcision, et mønstermatch alene kunne bruges til at diagnosticere tyktarms- eller hjernekræft, besparende patienter fra smertefulde eller invasive diagnostiske procedurer.

Og under tilstande som multipel sklerose og epilepsi, fingeraftryksscanningerne kan opfange ændringer i hjernen, der er usynlige med konventionelle metoder, men alligevel er mere klinisk meningsfulde, end dem lægerne kan se i dag. Det kunne hjælpe med bedre at forudsige, hvordan sygdommen vil udvikle sig hos en patient eller afgøre, om nye lægemidler er effektive til at bekæmpe sygdomme, for hvilke der i øjeblikket ikke er nogen god målestok for succes.

Tricket med magnetisk resonans fingeraftryk er at finde ud af, hvilket ud af det eksponentielt store univers af mulige pulssekvenser, der vil producere scanninger hurtigt og med tilstrækkelig nøjagtighed til at skelne mellem sundt væv og forskellige manifestationer af sygdom. Fordi hver sekvens består af mange individuelle impulser, der hver især kan variere efter vinkel, intensitet eller varighed, antallet af potentielle sekvenser for komplekse erhvervelser er enormt – konkurrerer med antallet af atomer i det synlige univers.

"Meget hurtigt bliver dette et problem med så mange muligheder, der alle er koblet til hinanden, at traditionelle optimeringsmetoder virkelig kæmper for at løse det på nogen realistisk måde, " sagde Griswold. "Der er unikke fordele med de kvante-inspirerede algoritmer, der giver os mulighed for at få resultater, som vi bare ikke har været i stand til at se med noget andet."

Pulssekvenserne udvalgt af Microsofts optimeringsalgoritmer har givet scanninger op til tre gange hurtigere end tidligere – hvilket ville øge gennemløbet, reducere omkostninger og forbedre adgangen til en potentielt livreddende diagnose, især i områder, der har måneder lange ventetider på MR.

Og det cirka 30 procent øgede præcision for T2-målinger, som kan være en vigtig identifikator for sygdom, kan betyde forskellen mellem at fange en tumor tidligt og ikke at se den, før lovende behandlingsmuligheder er begrænsede.

"Vi har været i stand til at vise virkelig betydelige gevinster, der går langt ud over bare at finjustere systemet en lille smule, sagde Griswold, der også fungerer som fakultetsdirektør for Case Western Reserves Interactive Commons. "Jeg føler, at de kvanteinspirerede algoritmer og kvantecomputeren bogstaveligt talt vil give os det næste kvantespring. Du får aldrig de massive ændringer i din virksomhed ved at gøre tingene på samme gamle måde."

Opdagelse af kvanteinspirerede algoritmer

I en kvantecomputer, de unikke egenskaber af qubits-navnlig deres evne til at holde en værdi på 0 og 1 på samme tid - giver dem mulighed for at behandle information eksponentielt hurtigere og potentielt finde løsninger på problemer omkring klimaændringer og verdens sult, som simpelthen ikke er mulige i dag. Men fordi kvantepartiklerne er notorisk kræsne og ustabile, Microsoft arbejder på at udvikle mere pålidelige og skalerbare qubits, der kan understøtte en fuld kvantecomputerplatform.

En anden type maskine kaldet en kvanteudglødning bruger kvantepartiklers andre mind-bending egenskaber til at udføre en enkelt opgave:at løse optimeringsproblemer med masser af komplicerede variabler og begrænsninger.

"Når jeg taler med virksomhedskunder, disse hårde optimeringsproblemer dukker op igen og igen og igen, " sagde Microsoft's Love. "Jeg har måske et værelse fyldt med folk inden for finansielle tjenester, pharma, olie og gas, bilindustrien, Industri eller kemiske virksomheder og du vil høre alle siger, 'Åh gud, Ja, Ja, Jeg har disse."

Oprindeligt undersøgte forskere bare, hvordan kvanteudglødninger fungerede, så de udviklede algoritmer til at simulere, hvad der foregik indeni. Tilfældigt, de besluttede at teste deres klassiske, men kvante-inspirerede algoritmer på en populær optimeringstest og opdagede, at de blæste andre løsninger væk.

"Det var en af ​​de ting, hvor du tror, ​​du laver et videnskabeligt projekt om et emne, og du opdager noget ved siden af ​​og indser, at det er meget mere spændende, " sagde Stephen Jordan, en seniorforsker fra Microsoft, der nu arbejder på at anvende kvante-inspirerede algoritmer til virkelige forretnings- og forskningsproblemer.

"Det skabte stor opsigt blandt optimeringsfolk, der var som:'Hvem er disse fyre ud af ingenting? De er ikke engang computerforskere! De er kvantefysikere, der har disse skøre algoritmer, der er meget bedre, '" han sagde.

For at løse optimeringsproblemer, computere leder efter en løsning, der kræver den laveste indsats eller omkostning. I nogle tilfælde, selvom, det er som en bjergbestiger, der forsøger at finde det absolut laveste punkt i et ukendt, meget uregelmæssig, bjergrige landskab.

Når han eller hun når en bestemt dal, der er ingen måde at vide, om der er et lavere punkt over det næste bjerg. Og at finde ud af det kræver en enorm mængde energi at klatre op og over den næste stejle bakke. Så de kan beslutte, at det ikke er det værd og sidder fast der - aldrig finde det laveste punkt eller bedre løsning.

Kvantpartikler har en unik egenskab, der, i dette eksempel, giver dem mulighed for nemt at tunnelere gennem bjerget for at opdage, hvad der er på den anden side. Ved at efterligne denne tunnel evne, Microsofts kvanteinspirerede algoritmer er i stand til at løse optimeringsproblemer på helt nye måder – ved hjælp af hardware, der er bredt tilgængelig.

Og når en fuldgyldig kvantecomputer bygget på stabile topologiske qubits bliver tilgængelig, de samme algoritmer bliver endnu mere kraftfulde, sagde Matthias Troyer, Microsofts hovedforsker på kvantecomputerteamet.

"Enhver af de kvante-inspirerede algoritmer kan accelereres yderligere på kvantehardware. Ved at køre dem på klassisk hardware, vi ikke får alle fordelene endnu, " sagde Troyer. "Dette er ikke bare en klassisk engangsform. Det er fuldstændig på vej til kvanteberegning. "