29 sierpnia 2023

Quantum computing w medycynie: 47 lat obliczeń w kilka sekund

Czy komputery kwantowe przyspieszą prace nad nowymi terapiami i lekami? Realizacja tej obietnicy jest coraz bliżej, odkąd Google, IBM i Microsoft zaczęły wprowadzać coraz wydajniejsze wersje swoich superszybkich maszyn, a pierwsze szpitale i placówki naukowe podjęły badania z ich zastosowaniem.

Spis treści:

tekst Artur Olesch

W marcu 2023 r. na dziedzińcu amerykańskiej Kliniki Cleveland stanęła ogromna szklana kapsuła. Jak w przypadku licznych urządzeń wykorzystywanych w placówkach medycznych ani jej nazwa, ani zastosowanie przeciętnemu zjadaczowi chleba nie mówią wiele. Quantum System One jednak nawet medykom kojarzy się bardziej z produktem taniego science-fiction, niż z czymś, co może posłużyć pacjentom. A jednak.

Komputer kwantowy a klasyczny

Komputery kwantowe mogą wykonywać operacje obliczeniowe miliony, biliony razy szybciej niż obecnie używane. Bazują bowiem na zupełnie innych zasadach obliczeń komputerowych. Nie wnikając w zawiłe szczegóły: w klasycznym komputerze procesor wykorzystuje bity, czyli stany 0 i 1 lub ich kombinacje. Bity mają jednak ograniczenie nie do pokonania – mogą w jednym momencie przyjmować tylko jedną pozycję.

Wprawdzie dzisiejsze procesory są 30 razy szybsze niż stosowane 10 lat temu, ale moce obliczeniowe nawet największych komputerów są nadal za małe, aby prowadzić najbardziej zaawansowane obliczenia i symulacje naukowe.

Problem ten może rozwiązać mechanika kwantowa. Komputery kwantowe wykorzystują nie bity, ale tzw. qubity, czyli kwantowe bity, które mogą istnieć jednocześnie w wielu stanach (w superpozycji), reprezentując jedynki i zera jednocześnie. W efekcie, podczas gdy klasyczny komputer prowadzi pojedyncze obliczenie, komputery kwantowe mogą wykonywać wiele równoległych zadań. Dzięki temu najnowszy komputer kwantowy od Google’a wykonuje w kilka sekund operacje, które najmocniejszemu na świecie klasycznemu komputerowi zajęłyby 47 lat.

Technologia kwantowa jednak też ma swoje ograniczenia. Qubity są wyjątkowo wrażliwe na wpływ otoczenia – najmniejsze zakłócenie może doprowadzić do błędu w obliczeniach. Dlatego wymagają one specjalnych warunków, np. temperatury bliskiej zeru absolutnemu (-273,15 °C).

Szybkość komputerów kwantowych jest atrybutem, którego potrzebuje medycyna. Dzięki wykładniczemu przyspieszeniu obliczeń algorytmy uczenia maszynowego mogłyby rozpoznawać wzorce w ogromnych zbiorach danych albo prowadzić symulacje w pracach nad nowymi lekami, wykorzystując do tego cyfrowe bliźniaki. Digital Twin to wirtualne odwzorowanie danego pacjenta, symulacja komputerowa budowy jego ciała, funkcji organów, parametrów fizycznych i biologicznych stworzona na podstawie danych pozyskanych z elektronicznej dokumentacji medycznej, sprzętu diagnostycznego i urządzeń „ubieralnych” (inteligentnych zegarków itp.). Na takim modelu naukowcy mogą prowadzić różne symulacje, m.in. reakcji pacjenta na lek.

Pierwszy szpital z superkomputerem

Nadzieję na takie badania mają właśnie pracownicy Kliniki Cleveland. W ośrodku, w tajemniczej szklanej gablocie, znajduje się bowiem dzieło inżynierii komputerowej – Quantum System One od IBM, pierwszy na świecie komputer kwantowy przeznaczony do badań w naukach medycznych.

Jego powstanie to efekt współpracy Cleveland Clinic i IBM w ramach tzw. Akceleratora Odkryć. Celem inicjatywy jest „przyspieszenie badań biomedycznych przez wykorzystanie wysokowydajnych systemów obliczeniowych, sztucznej inteligencji i obliczeń kwantowych”. Zakup komputera kwantowego pozostaje jednak nadal poza możliwościami szpitali. Cena urządzenia D-Wave One o 50 qubitach wynosi około 10 mln dol., a koszt utrzymania szacowany jest na 1 mln dol. rocznie.

– Technika niesie ze sobą obietnicę zrewolucjonizowania opieki zdrowotnej i przyspieszenia postępu w zakresie nowych metod leczenia i rozwiązań dla pacjentów. Kwantowe i inne zaawansowane metody obliczeniowe pomogą naukowcom uporać się z wąskim gardłem w badaniach i znaleźć nowe sposoby leczenia osób z chorobami takimi jak nowotwory, choroba Alzheimera i cukrzyca – mówi Tom Mihaljevic, prezes i dyrektor generalny Cleveland Clinic.

Na liście badań planowanych we wspomnianej placówce znalazły się m.in.: opracowanie protokołów obliczeń kwantowych do badań przesiewowych i optymalizacji leków ukierunkowanych na określone białka, udoskonalenie modelu przewidywania ryzyka sercowo-naczyniowego po operacji niekardiologicznej, analiza wyników sekwencjonowania genomu i dużych baz danych leków w celu identyfikacji już istniejących leków, które mogłyby pomóc pacjentom z chorobą Alzheimera. Do tego jeszcze dochodzą projekty związane z wykorzystaniem generatywnej sztucznej inteligencji, czyli dużych modeli językowych, np. popularnego ChatGPT.

Skuteczny sposób na uporanie się z zalewem danych w ochronie zdrowia

Połączenie niewyobrażalnej mocy obliczeniowej komputerów kwantowych z innymi osiągnięciami technicznymi, jak chociażby sztuczna inteligencja, sekwencjonowanie DNA, badania na dużych zbiorach danych (Big Data), daje naukom o zdrowiu nowe, potężne narzędzie badawcze, nieporównywalne z żadnym innym wynalazkiem.

Skorzysta z niego przede wszystkim przemysł farmaceutyczny, skracając czas badań klinicznych oraz szybciej identyfikując nowe cząsteczki chemiczne, które mogą być wykorzystane w produkcji nowych leków. Łącząc komputery kwantowe z AI oraz technologiami symulacji funkcji organizmu na chipie (in silico), będzie można opracowywać nowe terapie w warunkach laboratoryjnych i bezpiecznie wprowadzać je na rynek. Do testów posłużą cyfrowi bliźniacy, co pozwoli tworzyć różne wersje leków, dostosowane do indywidualnych cech pacjentów.

Poza tym komputery kwantowe pomogą wykrywać i zrozumieć korelacje w bazach medycznych. Lawinowo rośnie liczba danych zbieranych z różnych punktów przez inteligentne czujniki umieszczone na ciele chorego i w domu. Według niemieckiej firmy Statista dane dotyczące ochrony zdrowia stanowiły w 2022 r. aż 2,3 z 64,2 zettabajtów (1 zettabajt = bilion gigabajtów) wygenerowanych na całym świecie. Ta liczba szybko rośnie. Ich przetworzenie, nawet w niewielkim zakresie, nie jest możliwe z wykorzystaniem klasycznych komputerów. Obliczenia kwantowe ułatwią szukanie nowych korelacji oraz przetwarzanie w czasie rzeczywistym danych zbieranych od milionów pacjentów jednocześnie. A to z kolei przyniesie nowe odkrycia w dziedzinie profilaktyki.

Skorzystają też lekarze, bo superkomputery mogą analizować szybko wzrastające zasoby wiedzy medycznej, aby precyzyjnie diagnozować choroby rzadkie i dobierać metody leczenia dostosowane do indywidualnej charakterystyki choroby oraz danych zgromadzonych w elektronicznej dokumentacji medycznej. Dzięki temu zamknięta zostanie – cały czas poszerzająca się – luka między nauką a praktyką: angielskojęzyczna wyszukiwarka PubMed zawiera już ponad 35 mln artykułów z dziedziny medycyny i nauk biologicznych. Co roku przybywa kolejny milion. Samych opracowań dotyczących nowotworów jest ponad 3 mln. Żaden lekarz nie jest w stanie być na bieżąco z publikacjami, a komputery kwantowe mogą w kilka sekund dokonać obliczeń z wykorzystaniem światowych zbiorów informacji medycznych.

Wrażliwe qubity i wysokie koszty utrzymania

Na kwantowej rewolucji może też skorzystać Polska. W październiku 2022 r. Komisja Europejska ogłosiła, że jeszcze w tym roku do Poznania trafi jeden z pierwszych sześciu europejskich komputerów kwantowych. Docelowo stworzą one sieć, do której dostęp zyskają naukowcy w całej Europie. W komunikacie KE czytamy, że celem jest m.in. „znacznie szybsze i wydajniejsze opracowywanie nowych leków, dzięki stworzeniu cyfrowego bliźniaka ludzkiego ciała, na którym można np. przeprowadzać wirtualne testy leków”.

Mimo że niemal co miesiąc firmy ogłaszają stworzenie doskonalszych komputerów kwantowych, a najnowsza maszyna IBM osiągnęła już moc 433 qubitów, upłynie jeszcze kilka lat, zanim ta przełomowa technologia będzie wykorzystywana na masową skalę.

Na przeszkodzie stoi problem niestabilności obliczeń, a wykrycie błędu wśród miliardów reguł może okazać się niemożliwe. Dlatego naukowcy pracują intensywnie nad metodami korekty błędów.

W powijakach jest opracowanie systemów operacyjnych i algorytmów sztucznej inteligencji nadających się do zastosowania w komputerach kwantowych. Brakuje wykwalifikowanej kadry naukowej przygotowanej do pracy na supermaszynach. Do tego ich ceny sięgają dziesiątek milionów dolarów. Nie wspominając o kosztach utrzymania, które obejmują m.in. zapewnienie temperatury poniżej 200°C.

Jeśli uda się opracować stabilne komputery kwantowe, medycynę czeka bezprecedensowa rewolucja. Skok o kilkadziesiąt lat do przodu w badaniach nad nowymi lekami i terapiami oraz marzenia o rozwiązaniu zagadek medycyny napędzają wyścig inżynierów fizyki kwantowej na całym świecie.

Forum dyskusyjne - napisz komentarz

Musisz się zalogować, aby móc dodać komentarz.

Archiwum

Okręgowa Izba Lekarska w Warszawie im. prof. Jana Nielubowicza