Квантовые технологии для медицины: от сборки генома до «умных» ингаляторов

Форум будущих технологий — ежегодное флагманское событие, на котором представляют технологии и инновационные научные разработки, определяющие вектор развития отраслей экономики на ближайшие годы. В этом году мероприятие было посвящено технологиям будущего в области медицины. Представленные на Форуме технологии позволили буквально заглянуть в будущее медицины, свои уникальные разработки представили ученые-генетики, иммунологи, онкологи, эпидемиологи. Большинство из технологий и разработок готовы к использованию в клинической практике уже в ближайшие годы. В рамках экспертных дискуссий большое внимание уделялось также повышению доступности инноваций для всех граждан страны.

В том числе на Форуме были рассмотрены применения квантовых технологий для биомедицины по направлению облачных квантовых вычислений, программно-аппаратным решениям для квантово­устойчивой защиты информации и квантовым сенсорам.

КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ

Современная эпоха информационных технологий привела к стремительному развитию компьютерных наук и вычислительной техники. В этом контексте квантовые вычисления представляют собой новаторскую область, которая имеет потенциал изменить общепринятые принципы обработки информации и решения сложнейших вычислительных задач. Квантовые вычислительные устройства основаны на особых принципах квантовой механики, где кубиты — единицы квантовой информации — могут находиться в суперпозиции основных состояний (нуля и единицы) благодаря явлению квантовой суперпозиции. А явление квантовой запутанности позволяет создавать и обрабатывать сложные состояния из нескольких кубит. Мощности современных суперкомпьютеров позволяют эмулировать квантовые компьютеры размером до 50-60 кубит, при этом отдельные квантовые компьютеры состоят уже из более чем 1000 кубит.

Потенциал квантовых вычислений в медицине особенно важен, поскольку этот сектор нуждается в обработке больших объемов данных, анализе сложных систем и моделировании биохимических процессов. В медицинской практике присутствуют множественные задачи, начиная от диагностики и лечения заболеваний до разработки новых лекарств и персонализированной медицины, где квантовые вычисления могут принести значительные выгоды.

Построение квантового компьютера является сложной научной и инженерной задачей. В классических вычислительных устройствах уже несколько десятилетий в качестве основы для компонентной базы используются транзисторы на основе кремния. Для реализации квантовых компьютеров пока не выбраны основные технологии. Однако большой ряд существующих квантовых вычислительных устройств позволяет выделить наиболее перспективные технологии для реализации кубитов. Среди них сверхпроводниковые цепи, ионы, холодные атомы и кубиты на основе фотонов.

Современные квантовые компьютеры

Универсальные квантовые компьютеры способны выполнять разнообразные квантовые операции. Они предназначены для решения задач, включая квантовые алгоритмы поиска, факторизации, оптимизации и моделирования, а также для обработки обширных объемов данных. Например, квантовые симуляторы, устройства квантового отжига специализируются на решении конкретных классов задач. Зачастую, такие квантовые системы могут иметь ограниченный набор логических операций. Узкоспециализированные компьютеры могут быть разработаны для конкретных применений, таких как решение задач дискретной оптимизации или моделирование химических структур.

Эмуляторы квантовых вычислений

Программные эмуляторы квантовых вычислений могут до определенного предела имитировать работу квантовых компьютеров, используя классические вычислительные ресурсы. Эмуляторы обычно предоставляют пользователю интерфейс для создания квантовых алгоритмов, математического моделирования запуска квантового компьютера и анализа результатов.

Программные эмуляторы квантовых компьютеров могут быть полезны при разработке новых алгоритмов, проверки их работоспособности на различных входных данных, а также при обучении специалистов в области квантовых вычислений. А отдельные типы эмуляторов могут быть использованы в качестве метода решения практических задач дискретной оптимизации. В отдельных классах задач программные эмуляторы квантовых компьютеров превосходят по точности и скорости работы классические оптимизационные пакеты при решении практических задач. Облачные платформы квантовых вычислений представляют собой единый интерфейс удаленного доступа пользователей к квантовым компьютерам и программным эмуляторам, а также средства, упрощающие процесс тестирования квантовых приложений и прогнозирования бизнес-эффектов от их индустриального применения.

Применение в медицине

По мнению ученых, квантовые вычисления сыграют ключевую роль в таких областях, как открытие лекарств, молекулярный анализ и персонализированная медицина. По этой причине в мире начинают уже открываться специализированные медицинские центры, задачей которых является разработка и раннее внедрение квантовых вычислительных методов для здравоохранения.

Генетика

Квантовые вычисления уже используются для сборки генома — метода восстановления последовательности структуры ДНК на основе коротких фрагментов генетической информации, полученных при секвенировании генома. Квантовые алгоритмы апробированы для сборки генома простейших бактериофагов. С ростом вычислительной мощности квантовых компьютеров разработанные алгоритмы будут применимы для анализа генома человека.

Квантовое машинное обучение в медицине

Потенциал квантового машинного обучения может быть использован для открытия новых биомаркеров для лечения рака. Ряд исследований в области квантового машинного обучения направлен на изучение генетических заболеваний — разработаны квантовые алгоритмы, которые могут классифицировать геномные данные многократно быстрее, чем обычный компьютер. Квантовые алгоритмы предложено использовать для повышения качества изображений, полученных методами медицинской визуализации, таких как компьютерная, магнитно-резонансная томография и рентгеновское сканирование. Изучались возможности квантового машинного обучения в задаче анализа медицинских изображений сетчатки глаза для выявления диабетической ретинопатии и определения её типа. Исследование проводилось с помощью программного эмулятора квантового компьютера, а также с использованием до 6 кубитов квантового компьютера IBM. Результаты показали, что квантовые алгоритмы машинного обучения оказались заметно эффективнее классических при анализе изображений с высоким разрешением.

Моделирование биологических систем

Квантовые компьютеры позволят проводить более точное и детальное моделирование биологических систем, включая биохимические процессы и молекулярные взаимодействия. Эти исследования позволят разработать более точные прогнозы эффективности лекарственных препаратов, предсказать развитие заболеваний и определить оптимальные методы лечения для каждого конкретного пациента.

КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ

Квантовые коммуникации — это технология кодирования, передачи и приема квантовой информации. Один из видов квантовых коммуникаций —  квантовое распределение ключей — метод распределения симметричных ключей между узлами сети связи, использующий квантовые явления. Данный метод позволяет гарантировать быструю и безопасную передачу симметричного криптографического ключа между абонентами, что дает возможность решить широко известную проблему распределения симметричного ключа — одну из центральных проблем в криптографии. Использование квантового криптографического ключа, полученного таким образом, повышает криптостойкость классических методов шифрования и автоматизирует процесс распределения ключей, исключая человеческий фактор. Различные методы распределения квантовых ключей в совокупности с классическими криптографическими алгоритмами часто называют «квантовая криптография».

В современных условиях появление мощных персональных вычислителей, методов искусственного интеллекта, передовых математических алгоритмов не только упростило получение доступа к чувствительной информации, как для отдельных людей, так и для больших организаций. Это также создает существенную угрозу растущему интернету вещей, на базе которого функционирует все больше индустриальных, промышленных и государственных предприятий. В свою очередь развитие систем квантовых коммуникаций стало ответом на еще более серьезный вызов создание квантовых вычислителей, которые способны взламывать многие современные алгоритмы шифрования.

Одной из перспективных мер по надежной защите информации в свете возникающих угроз является использование систем квантового распределения ключей с использованием волоконно-оптических линий связи. Использование выработанного таким образом квантового криптографического ключа в совокупности с шифром «одноразовый блокнот» (шифр Вернама) может обеспечить информационно- теоретическую стойкость. Системы квантового распределения ключей позволяют полностью исключить возможность перехвата ключа на стадии передачи, а также исключить влияние человеческого фактора из процедуры управления ключами. Ключ создается на основе данных истинно случайного генератора случайных чисел и является неизвестным ни одному из администраторов.

Системы квантового распределения ключей могут применяться с традиционными системами криптографической защиты информации, используемыми для обеспечения безопасности сетевой инфраструктуры, где они позволяют вырабатывать и распределять ключи с помощью принципов квантовой физики, сильно снижая человеческий фактор. Например, в рамках проекта ЕС Open QKD, совместными усилиями Медицинского университета Граца (Австрия), компании Fragmentiх и ее партнерам удалось успешно реализовать проект по использованию технологий квантовых коммуникаций для защиты цифровых медицинских снимков и генетических данных.

Применение в медицине

Многие технические устройства, использующиеся в медицине, производящие мониторинг и влияющие на функциональные жизненные показатели, в обозримом будущем будут представлять из себя единое сетевое интерфейсное окружение, определяющее себя как медицинский интернет вещей. Стоит отметить также, что несмотря на развитую базу в области регулирования средств защиты информации (в том числе криптографических), сохраняется тенденция к наделению особым статусом и выделению в отдельную категорию с присвоением собственной классификации медицинским кибернетическим изделиям, имеющим возможность нанесения потенциального ущерба здоровью и безопасности пользователя.

Обоснование предложения происходит по причине различного жизненного цикла информационных управляющих систем и конечных исполнительных устройств. Данная тенденция четко прослеживается в современном информационно-технологическом кластере и демонстрирует большое количество обновлений программной составляющей аппаратно-программных комплексов за время жизненного цикла аппаратного составляющего изделия. При всем этом, распределенные системы повсеместной цифровизации медицинских карт, содержащих сведения о пациенте, могут быть перехвачены и использованы злоумышленниками в корыстных целях. Совокупность всех факторов и угроз информационной безопасности делает перспективной применение систем квантовых коммуникации в медицине.

Постквантовые алгоритмы

Постквантовые алгоритмы — новый класс криптографических алгоритмов, устойчивых к кибератакам с применением как классических, так и квантовых компьютеров. Постквантовые алгоритмы могут быть достаточно легко интегрированы в существующую инфраструктуру, например, мобильные приложения и веб-сервисы, а также инфраструктуру интернета вещей. Программные решения на основе постквантовых алгоритмов не требуют привнесения новых специализированных аппаратных решений в инфраструктуру конечного бизнес-клиента, при этом некоторые параметры постквантовых алгоритмов могут быть ускорены на аппаратном уровне.

Промышленный и потребительский интернет вещей

Медицинские lоТ-устройства позволяют врачам получать основные медицинские данные о пациентах, корректировать лечение и устанавливать дозировку удаленно. Наиболее распространенное применение loT в медицине — удаленный мониторинг состояния здоровья пациента. lоТ-устройства могут собирать такие показатели здоровья, как частота сердечных сокращений, артериальное давление, температура и т. д., от пациентов, которые физически не присутствуют в медицинском учреждении, что устраняет необходимость для пациентов ездить к поставщикам медицинских услуг или собирать их самостоятельно. Отдельное место в этом ряду занимают loT- устройства, занимающиеся непрерывным измерением уровня глюкозы в крови больного сахарным диабетом. Такие устройства способны предупреждать о резком изменении уровня глюкозы.

К другим lоТ-устройствам относятся приборы, отслеживающие частоту сердцебиения, «умные ингаляторы», позволяющие собирать данные о возбудителях приступов астмы, устройства, отслеживающие симптомы у больных болезнью Паркинсона, и многие другие. Чтобы максимально эффективно использовать loT в здравоохранении, необходимо решить критические проблемы безопасности: конфиденциальность собираемых lоТ­ устройствами данных и обеспечение доступа к управлению этими устройствам и только со стороны «доверенных» пользователей. Постквантовая криптография позволяет защитить lоТ-устройства от квантовой угрозы.

Телемедицина является одной из наиболее быстро растущих областей здравоохранения в мире. Одним из основных ее направлений являются телемедицинские консультации. Очевидно, что во время такой консультации существует риск раскрытия медицинских данных пациента, поэтому используемые каналы связи должны быть надежно защищены с помощью криптографических методов, часть из которых уязвимы к атакам с применением квантовых компьютеров. Таким образом, для обеспечения информационной безопасности телемедицины в условиях существования квантового компьютера необходимо внедрение постквантовых криптографических алгоритмов в протоколы, используемые для защиты трафика видеоконференций.

Генетические данные

Генетические данные должны подлежать особой защите, поэтому к вопросам безопасности используемых для этого криптографических алгоритмов необходимо подходить с особой тщательностью. Квантовая угроза не несет опасности в случае локального хранения генетических данных, однако ее нельзя вычеркивать при рассмотрении случая защищенной передачи этих данных. В таком случае необходимо использование постквантовых алгоритмов для выработки общего криптографического ключа, который будет использоваться для шифрования генетических данных. Помимо этого, постквантовая криптография дает новые возможности для исследований ДНК. Речь идет об использовании конфиденциальных вычислений, позволяющих сохранять в секрете данные, над которыми производятся вычисления. Изучение последовательностей ДНК и РНК человека является важным для биологии и медицины. Некоторые исследования сложных заболеваний или вирусов требуют тысячи образцов ДНК для выявления закономерностей и получения достоверных результатов. Однако последовательности ДНК и РНК являются биометрическими идентификаторами человека, что делает их передачу в руки исследователей затруднительной.

Таким образом, использование конфиденциальных вычислений позволят производить обработку и анализ генетических данных без их раскрытия. Конфиденциальные вычисления могут быть произведены с использованием постквантового гомоморфного шифрования. Фармацевтические компании и компании, производящие медицинское оборудование, вкладывают значительные средства в исследования и разработки. Защита интеллектуальной собственности, связанной с разработкой лекарств и новых медицинских устройств, имеет ключевое значение в конкурентной борьбе.

Практически любой медицинский сервис, использующий преимущество современных информационных технологий, начиная от облачных хранилищ и заканчивая медицинскими приложениями на различных устройствах, потенциально уязвим перед квантовой угрозой. Это связано с тем, что взаимодействие с сервисом сопряжено с выстраиванием безопасного канала связи. Некоторые криптографические примитивы, используемые при этом, могут быть взломаны с помощью квантового компьютера. Противостоять этому можно с помощью программных решений информационной безопасности на основе постквантовых алгоритмов шифрования.

Аппаратные решения на основе технологии квантовых коммуникации и программные решения на основе постквантовых алгоритмов не противоречат друг другу и могут использоваться совместно для: обеспечения комплексной защиты ИТ­ инфраструктуры медицинской организации от атак настоящего и будущего.

КВАНТОВЫЕ СЕНСОРЫ

Сегодня прогресс в биомедицинских науках зачастую стимулируется разработкой новых инструментов с улучшенной чувствительностью и разрешающей способностью, благодаря которым становится возможным обнаружение слабых биологических сигналов. Постепенные улучшения в ставших уже классическими методах диагностики (КТ, МРТ, ПЭТ) привели к огромному прогрессу в здравоохранении, но дальнейшее повышение чувствительности и разрешающей способности этих методов кажется сложным (а иногда и невозможным) с использованием стандартных подходов. Наиболее многообещающим направлением для нового поколения медицинской техники, основанной на более чувствительных измерительных системах, является область квантовой сенсорики.

Квантовое сенсоры — это принципиально новые устройства, использующие для измерения физических величин свойства квантовых систем, такие как особенности энергетических уровней в атомах, квантовая когерентность, квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния.

Использование квантовых состояний приводит к гораздо более высокой чувствительности квантовых датчиков относительно классических, вплоть до возможности измерения минимально возможных отклонений измеряемой величины. До недавнего времени квантовые сенсоры были представлены в основном в лабораториях, однако на сегодняшний день происходит их значительный трансфер из науки в индустрию, в частности, в медицину.

Применение в медицине

Некоторые квантовые датчики (например, основанные на азоте-замещенных вакансиях в алмазе) могут быть размером с один атом и, как следствие, обладают непревзойденной пространственной разрешающей способностью. Такие микроразмерные квантовые сенсоры могут использоваться для мониторинга биологических процессов внутри клеток, минимизируя воздействие на их работу за счет своего размера. Их чувствительность и размер позволяют регистрировать температуру и магнитные поля отдельных клеток, что в свою очередь, может помочь в изучении метаболизма и исследовании электрической активности отдельных нейронов.

К примеру, недавнее исследование датских ученых показывает, что высокочувствительные датчики, использующие азотные центры окраски в алмазе, позволяют регистрировать слабое магнитное поле, индуцируемое ионными токами в аксонах мозолистого тела мозга мыши и так восстанавливать сигналы от распространения потенциала действия нейронов. Алмазные датчики позволяют измерять сигналы нервных клеток без повреждения ткани и с большой чувствительностью. Такой подход сделает возможным более точное изучение изменений, происходящих на самых ранних стадиях нейродегенеративных заболеваний, и поможет развитию новых методов их лечения.

Магнитоэнцефалография

Квантовые магнитометры активно применяются в медицине для магнитоэнцефалографии (МЭГ), метода, основанного на регистрации магнитной компоненты электромагнитного излучения нейронов. В отличие от электроэнцефалографии, МЭГ имеет очень высокое временное и пространственное разрешение, что позволяет с более высокой точностью обнаруживать и локализовывать эпилептогенные зоны, а также помогать в выявлении на ранней стадии таких комплексных заболеваний, как шизофрения, аутизм, болезнь Альцгеймера и другие.

Адресная доставка лекарств

Ещё одной областью, где могут использоваться квантовые сенсоры, является адресная доставка лекарств. Это стратегия, при которой медикаменты доставляются прямо к определенной ячейке или ткани в организме, минимизируя воздействие на здоровые клетки. Такой метод позволяет снизить побочные эффекты лекарств и повысить их эффективность. Тераностика представляет собой симбиоз терапии и диагностики. Эта концепция предоставляет возможность одновременного определения и лечения заболевания. Например, носители для адресной доставки лекарств могут также включать в себя компоненты для визуализации, что позволяет отслеживать процесс лечения и оценивать его эффективность. Квантовые сенсоры могут решать проблемы с детектированием и визуализацией таких носителей.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что эти и другие достижения науки призваны значительно повысить качество и продолжительность жизни людей. Технологии, представленные на Форуме, опережают время, задают вектор дальнейшего развития медицины не только в России, но и в мире.