Квантовые компьютеры помогут в лечении болезни Альцгеймера

Словосочетание «квантовые технологии в медицине» еще недавно было понятно только весьма узкому кругу лиц, разрабатывавшему эти технологии. Сегодня это направление активно развивается: его поддерживают крупнейшие мировые корпорации. Генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ), руководитель проекта «Росатома» по созданию квантового компьютера в России Руслан Юнусов рассказал корреспонденту «Ъ-Наука» Оксане Менейлюк, какие технологии в скором времени заработают в медицине.

— Какие неизлечимые болезни можно вылечить с помощью квантовых технологий?

— Потенциал квантовых технологий в целом и квантовых компьютеров в частности пока до конца не раскрыт, но однозначно они найдут свое применение в медицине. Например, с помощью некоторых квантовых алгоритмов в потенциале можно будет осуществлять моделирование динамики химических реакций, что, в свою очередь, даст нам возможность разрабатывать новые, более эффективные лекарственные средства. На сегодняшний день прогнозы по лечению конкретных заболеваний давать трудно, однако медикаментозная терапия, например, онкологических и аутоиммунных заболеваний однозначно станет эффективнее.

— Как скоро они будут применяться? Ваш прогноз.

— Реализация алгоритмов такого рода требует наличия универсального квантового компьютера, который пока только находится в разработке. По самым оптимистичным прогнозам, подобные машины могут появиться на горизонте более пяти лет.

— А есть другие формы применения квантового компьютера в медицине?

— В принципе уже существующие неуниверсальные решения способны выполнять некоторые полезные задачи в области медицины. Так, недавно компания D-Wave Systems, которая занимается разработкой квантовых компьютеров, заявила о предоставлении облачного доступа к своим процессорам всем, кто ведет разработки, связанные с противодействием коронавирусу. Инициатива возникла в ответ на запрос правительства Канады к индустрии в поиске решений, направленных на борьбу с пандемией. Клиенты и партнеры компании D-Wave, такие как Volkswagen, Denso, Kyosera, Jlich Supercomputing Centre, Menten AI, предоставят свои команды инженеров с опытом работы с квантовым компьютером. Среди потенциальных областей применения — анализ новых методов диагностики, моделирование распространения вируса, оптимизация логистики в больницах.

— Существуют заболевания, лечения для которых не найдено. Среди них, например, нейродегенеративные — болезни Паркинсона и Альцгеймера. Есть ли исследования, доказывающие возможность излечения таких болезней с помощью квантовых технологий? Как именно будет происходить мониторинг пораженных клеток или нарушенных связей?

— Нарушения при сворачивании белков действительно могут вызывать серьезные нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, и исследователи, тестирующие новые методы лечения, должны понимать, какие лекарства вызывают реакции для каждого белка, с помощью случайного компьютерного моделирования. Однако моделирование сворачивания белков является одной из сложнейших задач биохимии и классическими вычислительными методами на данный момент не реализуется. И здесь, как я указывал ранее, квантовые компьютеры окажутся способны решать подобные задачи.

Если говорить про чувствительный мониторинг течения заболеваний мозга, то особо интересным направлением является магнитоэнцефалография, в которой главную роль играют высокочувствительные квантовые датчики магнитного поля. Мозг человека генерирует магнитные поля. С помощью квантовых сенсоров можно измерять и визуализировать эти магнитные поля, что в перспективе позволит диагностировать опухоли головного мозга, эпилепсию и синдром Альцгеймера неинвазивно и с большей точностью, чем существующие методы, такие как ЭЭГ и МРТ. Также на основе таких сенсоров возможно создать нейроинтерфейсы — устройства, позволяющие считывать сигналы непосредственно с коры головного мозга.

— Подробнее про сенсоры: как именно они могут применяться в медицине?

— Квантовые сенсоры представляют собой измерительные приборы, чувствительность которых за счет использования квантово-механических явлений выходит за пределы того, что нам позволяют классические датчики. Это их уникальное свойство может найти применение во множестве сфер, но особенно в медицине. Помимо использования квантовых магнитометров для исследования работы мозга квантовые датчики могут найти широкое применение в ранней диагностике и терапии онкологических заболеваний. Сегодня активно развиваются методы, основанные на регистрации в организме магнитных наночастиц, связанных с тем или иным химическим препаратом или биохимическим агентом, специфичным для раковых клеток. Высокоточное детектирование магнитных нанометок, которые будут модифицированы распознающими агентами, позволит диагностировать заболевания на самом раннем этапе (в том числе и за счет визуализации единичных клеток). Также определенные типы квантовых сенсоров (например, выполненные в виде кристалла) имеют настолько малый размер, что их можно внедрить в клетку живого организма без нарушения ее жизнедеятельности. С их помощью можно измерять температуру и мониторить биологические процессы внутри клетки. Это открывает совершенно новые горизонты для биологии и медицины: мы сможем отслеживать процессы различных заболеваний на клеточном и молекулярном уровнях in vivo, то есть внутри живого организма.

— Появление сенсоров может подогреть панику вокруг «чипизации». Какова вероятность, что квантовый компьютер превратит нас в биороботов и поработит?

— Так или иначе, все мы уже давно являемся биороботами, которые управляются мозгом-процессором (это шутка с долей правды). Однако, если говорить серьезно, вокруг новых и непонятных большинству вещей всегда существует много слухов и спекуляций. Квантовый компьютер не является панацеей. Он способен дать выигрыш в производительности только в ограниченном круге задач, и «порабощение человечества» не входит в их число.

— В Германии квантовые технологии стали частью национальной программы здравоохранения. В России отвергается возможность включения развития квантовых технологий в национальные программы по здравоохранению?

— Пока отдельных национальных инициатив по применению квантовых технологий в сфере здравоохранения в России нет, но я надеюсь, что в ближайшее время с развитием этих технологий и повышением соответствующего интереса они появятся.

— По мнению доцента Медицинской школы Стэнфордского университета Витторио Себастьяно, квантовые технологии ускорят исследования в области омоложения и программирования клеток. Расскажите об этом подробнее — насколько это реалистично?

— Как я говорил ранее, использование квантовых технологий позволит понимать, как протекают многие процессы в нашем организме на уровне отдельных клеток и даже молекул. Становится доступным колоссальное количество знаний о жизнедеятельности частей клеток, развитии болезней, механизмов функционирования лекарств, что, в свою очередь, я не исключаю, позволит нам жить существенно дольше.

— Возможно ли, что квантовые технологии в сочетании с медициной станут привилегией очень ограниченного круга людей?

— Я считаю, что, как и все предыдущие технологии, которые нашли свое применение в медицине (МРТ, пересадка органов и т. д.), квантовые решения так или иначе станут использоваться в массовом порядке. Здесь, конечно, главным остается вопрос времени.

— Есть ли квантовые технологии, которые были разработаны именно в России? Какие-то интересные мировые открытия в этой области, сделанные нашими учеными и нашими институтами?

— Конечно, в России регулярно совершаются интересные открытия, причем не только фундаментальные, но и прикладного характера. Вот некоторые результаты на примере Российского квантового центра, деятельность которого я знаю лучше всего.

Инновационный проект «М-Гранат», один из спин-оффов Российского квантового центра, занимается разработкой уникальных магнитометров на когерентных спиновых состояниях как раз для медицинских задач — о них я упоминал выше. Другие разработки РКЦ решают задачи немедицинского характера, однако имеют большую важность и перспективы применения. Например, в мае 2017 года Александр Львовский и Алексей Федоров с коллегами разработали защищенный квантовой криптографией способ распределенного хранения и верификации данных любого рода, а в июне 2018 года статья сотрудников РКЦ о квантовом блокчейне вошла в 5% самых популярных научных статей по версии Altmetric. В ноябре 2018 года специалисты РКЦ опубликовали в Nature статью о неминуемом взломе блокчейна и криптовалют, если в инфраструктуру не будут включены квантовые методы защиты информации. Параллельно с этим в ноябре 2017 года сотрудники РКЦ (совместно с коллегами из МИАН и Национального университета Сингапура) разработали новый, более эффективный способ коррекции ошибок при квантовой связи. Способ был проверен РКЦ на межбанковской линии квантовой связи.

Целый ряд исследований и разработок РКЦ касается оптических технологий. Так, в январе 2018 года компанией «ФемтоВижн» (спин-офф РКЦ) впервые в России был создан фемтосекундный лазер с накачкой от нескольких лазерных диодов. А уже в марте того же года сотрудникам группы Алексея Рубцова впервые удалось описать, как под воздействием сверхмощных световых полей фемтосекундного лазера моттовские диэлектрики превращаются в проводники. Кроме того, в октябре 2018 года в эксперименте под руководством Михаила Городецкого было показано, как превратить простой диодный лазер в одночастотный, пригодный для генерации оптических гребенок.

РКЦ параллельно развивает сразу несколько платформ (технологий) создания квантового компьютера. Так, например, в апреле 2018 года при участии группы Алексея Устинова (совместно с МИСиС, МФТИ, Сколтехом и лабораториями Великобритании и Германии) создан кубит на основе сверхпроводящей нанопроволоки. Напомню: кубит — это ключевой элемент хранения информации в квантовом компьютере, который может находиться в суперпозиции альтернативных состояний между 0 и 1.

— Какая самая свежая разработка у вас сейчас?

— А что касается наиболее свежих разработок, в текущем 2020 году ученые Российского квантового центра и их коллеги завершили создание нового квантового генератора случайных чисел с высокой скоростью, где используются квантовые шумы лазерных импульсов. Генераторы случайных чисел необходимы во многих сферах — например, в криптографии, в моделировании инженерных задач и финансовых рынков методом Монте-Карло. Но сделать выдаваемые числа истинно случайными крайне сложно, и наиболее эффективный способ — использовать квантовые закономерности.