آیا این کامپیوتر می تواند به شما در غلبه بر سرطان کمک کند؟


22 نوامبر 2022 – دهه 1960 مشخص شد ورود کامپیوتر به پزشکی. قطعات گران قیمت و دست و پا گیر از پلاستیک و فلز که می تواند (شاید) نتایج آزمایش را سریعتر به پزشک برساند. دهه 1980 شاهد اولین عملکردهای واقعی تفاوت‌آفرینی بود که رایانه‌ها می‌توانستند ارائه دهند – بالینی، مالی، اداری – و در سال 1991، مؤسسه پزشکی اولین مانیفست را در مورد آنچه که پرونده الکترونیک سلامت می‌توانست (و خواهد بود) منتشر کرد.

از آن زمان، ما شاهد پیشرفت‌های رایانه‌ای در تمام زمینه‌های پزشکی بوده‌ایم که هوش مصنوعی، واقعیت مجازی، و پزشکی از راه دور مطرح شده‌اند. اما چیز دیگری در حال تولید است که هنوز بسیاری از مردم درباره آن نمی‌دانند: محاسبات کوانتومی، نوع کاملاً جدیدی از محاسبات که قبلاً شروع به پیشرفت همه چیز از توسعه دارو و شناسایی بیماری گرفته تا امنیت سوابق الکترونیکی کرده است.

لارا جیهی، MD، مدیر ارشد اطلاعات تحقیقاتی کلینیک کلیولند، می‌گوید: «به این فکر کنید که از دریافت نور از طریق آتش و شمع و اکنون داشتن برق، و یک لامپ وجود دارد که همه آن را روشن می‌کند.

محاسبات کوانتومی چیست؟

کامپیوترهای کلاسیک (معروف به کامپیوترهای باینری) که پایه و اساس دستگاه های امروزی از جمله هوش مصنوعی و یادگیری ماشین هستند، با استفاده از اطلاعاتی به نام بیت کار می کنند. اینها به صورت 0 یا 1 ظاهر می شوند (گاهی اوقات به صورت خاموش/روشن یا نادرست/درست تعریف می شوند).

از سوی دیگر کامپیوترهای کوانتومی از بیت های کوانتومی معروف به کیوبیت استفاده می کنند. و بله، تعریف “کوانتوم” – مانند: بسیار، بسیار کوچک – صدق می کند.

International Business Machines که بیشتر با نام IBM شناخته می شود، در حال حاضر این فناوری جدید را هدایت می کند. فردریک فلوتر، دکترای علوم زیستی و مراقبت‌های بهداشتی با شرکت مشاوره صنعت کوانتومی آی‌بی‌ام، می‌گوید یک تصور غلط رایج در مورد رایانه‌های کوانتومی این است که آنها «تکامل بعدی رایانه‌هایی هستند که سریع‌تر خواهند شد». در عوض، او از ما می‌خواهد که محاسبات کوانتومی را به‌عنوان چیزی کاملاً جدید ببینیم «زیرا اساساً یک سخت‌افزار متفاوت است، یک نرم‌افزار متفاوت، نه فقط یک تکامل همان».

چگونه متفاوت از رایانه های موجود کار می کند؟ محاسبات کوانتومی در طبیعت معامله می کند. بنابراین، کیوبیت ها باید بر اساس جهان طبیعی باشند. معنی آن چیست؟ فیزیکدان برنده جایزه نوبل از ریچارد فاینمن نقل قول معروفی است که می‌گوید: «طبیعت کلاسیک نیست، لعنتی، و اگر می‌خواهید شبیه‌سازی از طبیعت بسازید، بهتر است آن را مکانیکی کوانتومی کنید، و به قول گلی، این یک مشکل فوق‌العاده است. زیرا به نظر آسان نیست.»

جیهی می‌گوید که طبیعت سیاه و سفید کار نمی‌کند یا در جعبه‌ها قرار نمی‌گیرد.

او توضیح می‌دهد: «ما باید آن را به صفر و یک تبدیل کنیم، زیرا این چیزی است که کامپیوترها صحبت می‌کنند. اما محاسبات کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی استفاده می کند. این دقیقاً نحوه عملکرد طبیعت است، زیرا بر اساس واحد اساسی همه چیز در طبیعت، یعنی ساختار اتمی است.

خیلی خیلی کوچیک واقعا و به همین دلیل است که محاسبات کوانتومی می تواند فناوری تغییر دهنده بازی در پزشکی باشد.

تونی اوتلی، رئیس و مدیر ارشد عملیات می‌گوید: «رایانه‌های کوانتومی را می‌توان برای نمایش مجموعه‌ای از راه‌حل‌های مختلف برای یک مسئله به طور همزمان مورد استفاده قرار داد، و سپس به راه‌حل بهینه، همان راه‌حلی که واقعاً کار می‌کند، فرو ریخت. کوانتینیوم، همکاری بین Cambridge Quantum و Honeywell Quantum Solutions که برای هدایت آینده محاسبات کوانتومی کار می کند. و دلیل اینکه این کار را انجام می دهد به دلیل برخی از خواص شگفت انگیز فیزیک کوانتوم است.

ایجاد یک محاسبات کوانتومی ساحلی

دانشمندان در سراسر جهان در حال مطالعه کامپیوترهای کوانتومی هستند و به دنبال این هستند که چگونه می توانند از این فناوری برای دستیابی به دستاوردهای بزرگ در دنیای پزشکی استفاده کنند.

آی‌بی‌ام شبکه کوانتومی آی‌بی‌ام را ایجاد کرده است و با سازمان‌های مختلف، از استارت‌آپ‌ها تا شرکت‌های فورچون 500، برای توسعه و آزمایش فناوری در تنظیمات مختلف، همکاری می‌کند. یکی از این مشارکت‌ها با کلینیک کلیولند، قرار است «شتاب‌دهنده کشف» را ایجاد کند که بر پیشرفت مراقبت‌های بهداشتی از طریق محاسبات با کارایی بالا بر روی ابر هیبریدی، فناوری‌های محاسبات کوانتومی و هوش مصنوعی متمرکز است.

بسیاری از مردم در سراسر کشور در حال حاضر با استفاده از ابر، اما با دسترسی محدود کیوبیت، از این فناوری بر روی رایانه های موجود استفاده می کنند. IBM محققانی در مکان‌هایی مانند آلمان و ژاپن دارد که بر روی رایانه‌های کوانتومی کار می‌کنند و اولین نسل از سیستم‌های کوانتومی 1000+ کیوبیت آی‌بی‌ام را در پردیس کلینیک کلیولند نصب خواهند کرد که قصد دارند از آن برای کمک به تحقیقات بیشتر در مورد محاسبات کوانتومی استفاده کنند. فواید.

اما آن فواید چیست؟

کشف و توسعه دارو

شیمی کوانتومی یکی از حوزه‌های اصلی است که محاسبات کوانتومی برای کمک به آن آماده است.

جیهی می گوید: «کاربرد فوری آن در کشف مواد مخدر خواهد بود. هنگامی که دانشمندان دارو می‌سازند، در آزمایشگاه می‌نشینند و فرمول‌های شیمیایی مختلفی را برای آنچه ممکن است آن دارو را تشکیل دهد، تولید می‌کنند.

او می‌گوید: «اما برای اینکه ما واقعاً بدانیم که آیا کار می‌کند یا نه، باید بتوانیم تصور کنیم که چگونه این ترکیب شیمیایی به یک ساختار تبدیل می‌شود.

حتی در قوی ترین شکل خود، ابرکامپیوترهای امروزی در توانایی خود برای تغییر فرمول شیمیایی روی کاغذ به شبیه سازی ترکیب شیمیایی ظاهری کند هستند. و در بسیاری از موارد نمی توانند این نوع تحلیل را انجام دهند.

جیهی توضیح می‌دهد: «بنابراین، ما در نهایت داروها را بدون اینکه بدانیم دقیقاً چگونه ظاهر می‌شوند، تولید می‌کنیم، که واقعاً راه بهینه برای ایجاد دارویی نیست که انتظار دارید کار کند». “این اتلاف وقت است برای ایجاد ترکیباتی که هیچ تاثیری ندارند.”

رایانه‌های کوانتومی به محققان این امکان را می‌دهند که این ساختارهای مولکولی را ایجاد کرده و ببینند و بدانند چگونه با بدن انسان پیوند می‌یابند و با آن تعامل دارند. در واقع، آنها می‌دانند که آیا یک داروی بالقوه قبل از اینکه مجبور به ساختن فیزیکی آن شوند، کارایی دارد یا خیر.

به دلیل تفاوت‌های آن با محاسبات کلاسیک، رایانه‌های کوانتومی در توانایی خود برای شبیه‌سازی نحوه ظاهر شدن ترکیبات مختلف محدود نیستند. توانایی شبیه سازی ترکیباتی که داروها از آنها ساخته می شوند می تواند منجر به کشف سریعتر داروها برای درمان طیف وسیعی از شرایط شود.

تجزیه و تحلیل بیماری

در نهایت، این فناوری می‌تواند به تجزیه و تحلیل بیماری کمک کند و در سطح مولکولی کار کند تا به رایانه‌ها/هوش مصنوعی اجازه دهد تا مثلاً مولکول‌های سرطان را بررسی کنند و درک عمیق‌تری از نحوه عملکرد آنها به دست آورند.

جیهی می‌گوید محاسبات کوانتومی می‌تواند برای مطالعه مواردی مانند بیماری‌های مزمن نیز مورد استفاده قرار گیرد. اینها شرایطی هستند که افراد باید با آنها زندگی کنند و آنها را مدیریت کنند، و احساس یک فرد در این مورد می تواند روزانه متفاوت باشد، بر اساس چیزهایی مانند آنچه که فرد می خورد، آب و هوا، یا داروهایی که مصرف می کند.

جیهی می‌گوید: «احتمال‌های بسیار زیادی برای اینکه چه چیزی می‌تواند مسیر بیمار را از یک جهت در مقابل دیگری تغییر دهد، وجود دارد.

او تاکید می‌کند که اگر گروهی از بیماران داشته باشیم، و همه چیزهایی را که در طول مسیر بیماری برای آنها اتفاق افتاده است، ثبت کرده باشیم، تقلید از ظاهر آن گروه و سپس مطالعه اثرات این مداخلات مختلف بر روی آن با استفاده از روش‌های سنتی بسیار چالش برانگیز است. محاسبه.

این خیلی پیچیده می شود و رایانه هایی که ما در اختیار داریم نمی توانند با تجزیه و تحلیل تأثیرات احتمالات مختلف همراهی کنند. جیهی می‌گوید: «درهم می‌شود.

اما محاسبات کوانتومی می تواند یادگیری ماشین کوانتومی را ارائه دهد، به این معنی که شما از این توانایی کوانتومی ویژه برای مدیریت شبیه سازی های مختلف و امکانات مختلف استفاده می کنید.

به عنوان مثال، کلینیک کلیولند به بررسی این موضوع می پردازد که چگونه برخی از بیمارانی که تحت عمل جراحی عمومی قرار می گیرند، پس از عمل دچار عوارض قلبی می شوند.

او می‌گوید: «اگر بتوانیم زودتر تشخیص دهیم که چه کسی بعد از جراحی در معرض خطر حمله قلبی است، تحول‌آفرین خواهد بود، زیرا می‌توانیم از آن افراد بهتر مراقبت کنیم.»

مجموعه داده‌های کنونی کلینیک شامل سوابق 450000 بیمار است و یادگیری هوش مصنوعی/ماشین کنونی باعث می‌شود که این موضوع بسیار کند و پیچیده باشد. این کلینیک از رویکردهای یادگیری ماشینی برای ایجاد یک مجموعه داده مصنوعی استفاده می کند، یک گروه کوچکتر که کپی گروه بسیار بزرگتر است. فناوری کوانتومی می‌تواند این تحلیل را برای تولید مدل‌هایی با عملکرد بهتر بهبود بخشد و سرعت بخشد.

تشخیص بیماری

اوتلی می‌گوید: «تصور کنید می‌روید سی‌تی‌اسکن بگیرید. او توضیح می‌دهد: «در حال حاضر راه‌حل‌های هوش مصنوعی وجود دارد که می‌توانید مجموعه‌ای از تصاویر را اجرا کنید و بپرسید، «آیا این چیزی شبیه سرطان است؟» او توضیح می‌دهد که این فناوری موجود، روی چیزهایی که معمولی هستند و قبلاً شناسایی شده‌اند، به خوبی کار می‌کند. ، زیرا یادگیری ماشینی اینگونه عمل می کند. اگر هوش مصنوعی چیزی را 100000 بار دیده باشد، اغلب می تواند چیز دیگری را پیدا کند که شبیه آن است.

اما کامپیوترهای کلاسیک امروزی برای شناسایی چیزهای ناآشنا مجهز نیستند. اوتلی می‌گوید: «این مکان‌ها مکان‌هایی هستند که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند در فکر کردن به تصاویر بسیار بهتر عمل کنند و بتوانند بگویند: «من می‌توانم سرطان‌های نادر یا شرایط نادری را تشخیص دهم که شما کتابخانه عظیمی از چیزهایی شبیه به آن ندارید.» .

اینجاست که محققان می توانند از یک کامپیوتر کوانتومی استفاده کنند تا بتوانند بفهمند چه چیزهایی وجود دارد میتوانست شبیه.

“زیبایی محاسبات کوانتومی این است که یک شکل گیری سوگیری در فیزیک کوانتومی، این طرح احتمالی تر است. و بنابراین شما می توانید از این طرح احتمالی برای کمک به آنها در فکر کردن در مورد این موضوع استفاده کنید.

چقدر دور هستیم؟

اوتلی می‌گوید که ما در دوران نوظهور محاسبات کوانتومی هستیم. کامپیوترهای کوانتومی وجود دارند و این مسئله بزرگی است، اما بسیاری از این فناوری هنوز در مراحل اولیه هستند.

او توضیح می دهد: «کمی شبیه این است که ما در ابتدای اینترنت هستیم و می گوییم اوضاع چگونه پیش خواهد رفت.

در حال حاضر، شرکت‌هایی مانند Quantinuum در تلاش هستند تا محاسبات را بر روی یک کامپیوتر کوانتومی و کلاسیک انجام دهند، نتایج را با هم مقایسه کنند و بگویند: «ما همان پاسخ را دریافت می‌کنیم».

اوتلی توضیح می‌دهد: «بنابراین، این دورانی است که ما می‌توانیم اعتماد ایجاد کنیم و بگوییم که این رایانه‌های کوانتومی واقعاً درست کار می‌کنند.

او می‌گوید در آینده احتمالاً می‌توانیم چیزی مانند MRI کوانتومی را تصور کنیم که می‌تواند بدن شما را به گونه‌ای درک کند که داده‌ها را به کامپیوتر کوانتومی منتقل می‌کند تا اشتباه را تشخیص دهد و بتواند تفاوت بین سرطانی و غیر سرطانی را تشخیص دهد. -سرطانی این به درمان های سریع تر و متناسب سازی آنها با جمعیت بیماران خاص امکان می دهد.

اوتلی می‌گوید: «کاری که امروز انجام می‌دهیم ممکن است کمی کمتر جذاب به نظر برسد، اما شاید حتی به همان اندازه مهم باشد.

این استفاده از کامپیوترهای کوانتومی برای ساخت بهترین کلیدهای رمزگذاری است. جامعه پزشکی، که در حال حاضر از محاسبات کوانتومی برای اجرای این کار استفاده می‌کند، از این که این وسیله بهتری برای حفظ امنیت اطلاعات بیمار تا حد امکان ممکن است، هیجان‌زده است.

در ماه ژوئن، کوانتینووم InQuanto را راه‌اندازی کرد، نرم‌افزار محاسباتی کوانتومی که به شیمیدان‌های محاسباتی اجازه می‌دهد که تا کنون فقط رایانه‌های کلاسیک را در دست داشتند. این حرکت فرصتی برای شروع به فکر کردن درباره مشکلاتی که آنها روی آنها کار می کردند و اینکه با یک کامپیوتر کوانتومی چه کار می کردند، ایجاد کرد. همانطور که کامپیوترهای کوانتومی در طول سال ها کارایی بالاتری دارند، Uttley می گوید که این نرم افزار از کارهایی مانند جداسازی یک مولکول به حل مسائل بزرگتر می رود.

او می‌گوید: «این در دهه آینده اتفاق می‌افتد، جایی که من فکر می‌کنم در 2 تا 3 سال آینده شاهد اولین نوع از موارد استفاده واقعی خواهیم بود». در حال حاضر، این فناوری احتمالاً همراه با رایانه های کلاسیک استفاده خواهد شد.

اوتلی می‌گوید که پیشرفت در دنیای کوانتومی و پزشکی با سرعتی آهسته و پیوسته به رشد خود ادامه خواهد داد، و در سال‌های آینده، احتمالاً شاهد خواهیم بود که همه چیز شروع به کلیک کردن کند و سپس در نهایت، “با قدرت کامل” از بین برود.



منبع