Как поиск масштабируемого квантового компьютера помогает в борьбе с раком

Сегодня пациентка с раком молочной железы может пройти несколько курсов химиотерапии и провести месяцы в состоянии напряженной неопределенности, пока снимки не покажут, помогает ли данный коктейль токсичных лекарств уменьшить опухоль.

Ученые из Case Western Reserve University предпринимают все попытки изменить ситуацию. Они впервые предложили и разработали новый подход, так называемый магнитно-резонансный отпечаток Magnetic Resonance Fingerprinting, использующий самые чувствительные на сегодняшний день методы сканирования для определения эффективности конкретного препарата сразу после первой дозы химиотерапии.

«Мы полагаем, что сможем замечать изменения в тканях уже через неделю, а не через 6 месяцев, как раньше, – говорит Марк Грисвольд, профессор радиологии и директор по исследованиям MRI в Case Western Reserve. – Это крайне важно как для результатов лечения, так и для качества жизни пациента, потому что если химиотерапия не работает, вы просто бессмысленно отравляете свой организм».

Новый метод невероятно многообещающий, но создание сканов для быстрой и точной диагностики – чрезвычайно сложная вычислительная задача, требующая инновационных подходов. Сегодня ученые Case Western Reserve подобрали ключ к решению этой проблемы, используя алгоритмы, разработанные командой квантовых вычислений Microsoft – и уже добились кардинальных улучшений.

Воодушевленные квантовым подходом алгоритмы Microsoft созданы для будущих квантовых компьютеров и позаимствовали принципы квантовой физики для решения чрезвычайно сложных вычислительных задач. Вместе с тем, они также способны работать на обычных, повсеместно распространенных компьютерах.

При помощи этих квантовых алгоритмов команда исследователей Case Western Reserve получила возможность производить сканирование в три раза быстрее, чем позволяли предыдущие, даже самые современные, подходы, а также почти на 30 % повысить точность в определении ключевого идентификатора заболевания. Эти достижения помогут врачам обнаруживать рак и другие заболевания на более ранних стадиях, разрабатывать новые препараты для лечения расстройств и нарушений, в которых на сегодняшний день сложно измерить результативность терапии, а также вместо инвазивных процедур, например, биопсии, для диагностики рака применять снимки.

Квантовые алгоритмы Microsoft имеют особенно высокую практическую ценность для решения проблем оптимизации, которая заключается в просеивании огромного числа вероятностных сценариев для вычисления оптимального решения. Эти задачи настолько сложны и требуют таких вычислительных мощностей, что современные технологии пока не в состоянии эффективно справляться с ними.

Типичным примером может служить регулирование дорожного трафика в масштабе всего мегаполиса, выделение взлетно-посадочных полос в загруженных международных аэропортах или определении наилучшей очередности действий в сложных промышленных процессах с участием большого количества разнообразного производственного оборудования.

Кроме вклада в работу Case Western Reserve для более быстрого и надежного обнаружения рака и других болезней квантовая команда Microsoft сотрудничает с Dubai Electricity and Water Authority, применяющей квантовые алгоритмы для расчета идеально сбалансированного распределения энергетических ресурсов по электросетям.

Willis Towers Watson, являющаяся глобальным поставщиком консультационных и посреднических услуг и решений, также анализирует возможности квантовых алгоритмов Microsoft по улучшению сложных математических моделей, используемых компанией для расчета рисков и определения инвестиционных стратегий.

Используя квантовые биты, так называемые топологические кубиты, исследователи Microsoft разработали данные алгоритмы как часть более глобальной инициативы по созданию самого стабильного и масштабируемого квантового компьютера в индустрии. По их словам, как только он будет создан, квантовая вычислительная платформа позволит ученым за считанные минуты производить вычисления, которые заняли бы у нынешних компьютеров миллиарды лет.

Квантовые алгоритмы создают симуляции работы систем будущего, но в то же время могут быть запущены на существующих компьютерах уже сегодня. По мере прогресса в разработке квантового компьютера общего назначения, заинтересованные компании могут присоединиться к сети Microsoft Quantum Network, что дает им доступ к сервисам, также инспирированным квантовым подходом, работающим на Microsoft Azure и классическом аппаратном обеспечении, таком как процессоры CPU и GPU, а также матрицы FPGA.

«Оказалось, что квантовое мышление и уроки, усвоенные нами при программировании компьютера, привели нас к прорывным результатам, которые мы можем реализовать сегодня даже на классических компьютерах», – сказала Джулия Лав, директор Microsoft по развитию квантового бизнеса.

«Это позволяет команде Microsoft развивать и ускорять внедрение решений в здравоохранении, управлении финансами, нефтегазовой и автомобильной промышленностях, – добавляет она. – Более мощное аппаратное обеспечение уже на подходе, но квантовые прорывы происходят уже сейчас».

«Таких результатов нам не могло дать ничто другое».

Любой родитель знает, что достаточно приложить руку ко лбу ребенка и станет понятно, есть ли у него повышенная температура или нет.

Однако принять правильное решение, что делать в этом случае – подождать и посмотреть на дальнейшее состояние, дать лекарство или незамедлительно вызвать неотложку – без термометра намного сложнее.

Магнитно-резонансный отпечаток – это способ предоставить врачу интерпретацию МРТ с аналогичной степенью точности измерения по целому ряду свойств разных тканей. То есть врачу больше не придется полагаться только на свой опыт, иначе говоря, исходить из субъективной оценки на основе яркости или цвета конкретной зоны, и на глаз делать вывод, здорова ли ткань или там присутствует заболевание.

Как заверяют ученые, этот метод уже используется в десятках медицинских исследовательких центров, но в ближайшие годы ожидается более широкое его распространение.

«Миллионы и миллионы людей были спасены или вылечены с приходом МРТ, но по сути, пока это равносильно прикладыванию руки ко лбу ребенка, – говорит Грисвольд. – Большой сдвиг, который позволил совершить цифровой отпечаток, заключается в том, что мы получили цифры, как показатели на термометре, которые дадут нам возможность точно ставить диагноз».

Магнитно-резонансный отпечаток, который, как было доказано, в 1,8 раз превосходит по эффективности сравнимый количественный МРТ-протокол, производит цифровые измерения свойств ткани по каждому пикселю на снимке. Он выполняет это благодаря использованию намного более многосложных импульсных последовательностей – безвредных радиоволн, соединяющихся с магнитными полями и генерирующих определенные характерные сигналы в зависимости от типа ткани пациента и от наличия или отсутствия в ней опухоли.

Эти образцы, полученные на основе больших данных, затем сравниваются с обширной библиотекой тканей, для которых уже известен магнитно-резонансных отпечаток, и который может быть рассчитан напрямую с помощью физических симуляций. С большой долей точности такое сопоставление образцов может быть использовано для диагностики рака кишечника или мозга, избавляя пациетов от болезненных и инвазивных диагностических процедур.

В заболеваниях типа множественного склероза и эпилепсии цифровые отпечатки могут зафиксировать изменения в мозге, которые не определяются традиционными методами, но более клинически значимы, чем видимые на сегодняшний момент. Это поможет предсказать, как болезнь будет прогрессировать, или определить эффективность нового лекарственного препарата в борьбе с заболеваниями, для которых пока нет надежного критерия успеха лечения.

Сложность с магнитно-резонансным отпечатком, однако, заключается в вычислении, какая из практически неограниченного количества возможных импульсных последовательностей сможет произвести сканы быстро и с достаточной степенью точности, чтобы определить разницу между здоровой тканью и различными проявлениями заболевания. Так как каждая последовательность состоит из индивидуальных импульсов, различающихся по углу, интенсивности или продолжительности, то число потенциальных последовательностей для комплексных измерений становится просто колоссальным и сравнимым с числом атомов во всей видимой вселенной.

«Очень быстро это становится математической проблемой с таким количеством вероятностей, что традиционные методы оптимизации не в состоянии разрешить ее, – говорит Грисвольд. – Но уникальные преимущества алгоритмов, инспирированных кантовыми вычислениями, позволяют получить результаты, которые невозможно достичь никакими другими методами».

Последовательности импульсов, выбранные оптимизационными алгоритмами Microsoft, обеспечили сканирование в три раза быстрее, чем их предшественники. Это приводит к увеличению скорости обработки информации, уменьшению стоимости и повышению доступности жизнесохраняющей диагностики, в частности, в тех областях, где существуют многомесячные листы ожидания на исследования МРТ. Кроме того, 30-процентный скачок в точности измерений для Т2, который является важным идентификатором болезни, может означать разницу между обнаружением и лечением опухоли на ранней стадии и упущением ее и началом лечения, когда медицина уже будет ограничена в возможностях и методах.

«Мы смогли продемонстрировать значительные успехи, а не просто подрегулировать систему, – сказала Грисвольд, которая также занимает должность декана факультета Interactive Commons в Case Western Reserve. – Я уверена, что квантовые алгоритмы и квантовый компьютер дадут нам буквально беспрецедентный рывок. Такие кардинальные изменения абсолютно невозможно получить работая по-старому».

Открытие алгоритмов, инспирированных квантовым подходом

В квантовом компьютере уникальные свойства кубитов – в частности их способность принимать одновременно значение и 0, и 1 – позволяет им обрабатывать информацию во много раз быстрее и, теоретически, найти решение таких проблем, как изменение климата или борьба с голодом в мировом масштабе, которые пока остаются нерешаемыми. Но, как известно, квантовые частицы являются невероятно капризными и нестабильными. Поэтому Microsoft трудится над разработкой более надежных и масштабируемых кубитов, способных полностью поддерживать квантовую вычислительную платформу.

Другой тип машины (для квантового отжига) использует потрясающие и непостижимые свойства квантовых частиц для выполнения одной единственной задачи: решение проблемы оптимизации со множеством сложных переменных и условий.

«Когда я разговариваю с корпорациями, проблемы оптимизации встают снова и снова, – делится Джулия Лав. – Я могу находиться в конференц-зале, полном людей из финансовой сферы, фармацевтики, нефтегазовой или автомобильной отрасли, тяжелой промышленности и химических компаний, и всегда слышу: “Да, да, у нас есть эта проблема”».

Изначально ученые собирались просто исследовать работу квантовых анниляторов, поэтому они разработали алгоритмы для симуляции происходящего внутри процесса. Они решили протестировать на популярном оптимизационном тесте классический, но воодушевленный квантовым подходом, алгоритм и обнаружили, что у них появились также другие решения.

«Это один из тех случаев, когда вы занимаетесь научными изысканиями на одну тему и внезапно в ходе исследования обнаруживаете другую перспективную и не менее важную тему», – говорит Стивен Джордан, старший научные сотрудник Microsoft, работающий в настоящее время над применением квант-инспирированных алгоритмов в реальных условиях бизнеса и для решения исследовательских проблем.

«Наша работа привела к большому оживлению среди специалистов по оптимизации. Все стали задаваться вопросом: «Кто эти парни и откуда они взялись? Это даже не ученые в области вычислительных систем! Это квантовые физики, у которых есть какие-то безумные алгоритмы, которые намного лучше», – рассказывает он.

Для решения проблем оптимизации нужны компьютерные решения, требующие минимальных затрат усилий и стоимости. В каком-то смысле это как альпинист, пытающийся найти абсолютный высотный минимум в незнакомом горном ландшафте крайне неправильной и непредсказуемой формы.

Как только он достигает долины, для него нет возможности узнать, будет ли за следующей горой более низкая точка. А выяснить это стоит огромных усилий, потому что надо взобраться на гору и пройти перевал. Вполне возможно он решит, что это слишком затратно и остановится там, где находится, так и не найдя самый низкий минимум или лучшее решение.

Квантовые частицы обладают уникальным свойством, которое – как в этом примере – позволит им легко, как по тоннелю, пройти через гору, чтобы увидеть, что там на другой стороне. Подражая этой способности тоннельного прохода, квантовые алгоритмы Microsoft способны решать оптимизационные задачи совершенно иным, инновационным способом, но при этом используя широко доступное аппаратное обеспечение.

«Когда полнофункциональный квантовый компьютер на основе стабильных топологических кубитов станет доступным, те же самые алгоритмы будут обладать еще большей мощностью», – говорит Матиас Троер, главный исследователь Microsoft по квантовым вычислениям.

«Любой квантовый алгоритм может быть усилен на квантовых аппаратных средствах. Классическое вычислительное оборудование не позволяет реализовать весь потенциал алгоритмов, – добавляет он. – Но они бесповоротно и всецело ведут нас к будущим квантовым вычислениям».

Заглавное фото: Марк Грисвольд, профессор радиологии Case Western Reserve University использует квантовые алгоритмы Microsoft в инновационном подходе к МРТ под названием магнитно-резонансный отпечаток. Фото Microsoft.