Εισαγωγή
Η κβαντική φυσική διασταυρώνεται με την ιατρική σε ένα φάσμα που εκτείνεται από τις ευρέως διαδεδομένες κλινικές τεχνολογίες έως τα αναδυόμενα υπολογιστικά και ανιχνευτικά παραδείγματα και, ξεχωριστά, σε πιο θεωρητικές προτάσεις σχετικά με τον νου και τη συνείδηση. Η εφαρμοσμένη τομή είναι εμφανής στις διαγνωστικές τεχνολογίες και τις τεχνολογίες απεικόνισης, όπου το horizon scanning στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης εντόπισε 116 «quantum technologies», με την magnetoencephalography (MEG), τα quantum dots και τις συσκευές βασισμένες σε SQUID να χρησιμοποιούνται συχνά για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου, την απεικόνιση και τις καρδιολογικές διαγνώσεις, και με τις διαγνώσεις να αντιπροσωπεύουν το 54% των εντοπισμένων χρήσεων σε αυτή τη σάρωση[1]. Το ίδιο horizon scan αναφέρει ότι το quantum computing (28%) και τα quantum dots (24%) ήταν οι πιο κοινές κατηγορίες εφαρμογών και ότι το 27% αυτών των τεχνολογιών ενσωματώνει AI, ειδικά για την εξατομικευμένη ιατρική και τη διαγνωστική απεικόνιση[1].
Μια δεύτερη γραμμή τομής είναι μηχανιστική: αρκετές ανασκοπήσεις υποστηρίζουν ότι «διεργασίες απαραίτητες για τη ζωή» (π.χ. electron tunnelling σε αναπνευστικά συμπλέγματα, proton-coupled transfer σε μεταβολικά ένζυμα, coherence στη φωτοσύνθεση και spin dynamics στη σηματοδότηση ριζών) είναι «εγγενώς κβαντομηχανικές» και έτσι δυνητικά συνδέουν τη φυσική ηλεκτρονικής κλίμακας με κλινικούς φαινότυπους[2]. Μια τρίτη γραμμή είναι εννοιολογική και θεωρητική, όπου ορισμένοι συγγραφείς συνδέουν ρητά τη συνείδηση και τη συγκεκριμένη αντίληψη με το πρόβλημα της κβαντικής μέτρησης και με το quantum-state reduction ως προτεινόμενο μηχανισμό για τη λήψη αποφάσεων και την αντίληψη[3].
Θεμελιώδεις κοινές πτυχές
Μια κοινή βάση μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της ιατρικής είναι ότι τα κλινικά πολύτιμα σήματα και οι παρεμβάσεις συχνά προέρχονται από μοριακές, ατομικές ή υποατομικές κλίμακες, ακόμη και όταν τα κλινικά φαινόμενα είναι μακροσκοπικά, και πολλαπλές ανασκοπήσεις συνδέουν ρητά τα «σωματίδια νανοκλίμακας» και τις «υποατομικές» κβαντικές αρχές με βιοϊατρικές συσκευές και βιοϊατρικές υποθέσεις[4, 5]. Αρκετές ανασκοπήσεις προσανατολισμένες στην υγειονομική περίθαλψη τονίζουν ότι το quantum computing διαφέρει από το κλασικό computing χρησιμοποιώντας qubits και κβαντικά φαινόμενα (superposition και entanglement) για την αναπαράσταση πληροφοριών με τρόπους που είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί από τα κλασικά bits, και το αντιμετωπίζουν αυτό ως τη βάση που επιτρέπει τις μεταγενέστερες βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως η μοριακή προσομοίωση και οι διαγνώσεις[6].
Η μέτρηση και η coherence αποτελούν επίσης οριζόντια θέματα, επειδή τόσο οι διαγνώσεις όσο και οι κβαντικές συσκευές απαιτούν προσεκτική διαχείριση του τρόπου με τον οποίο η παρατήρηση επηρεάζει τα σήματα. Μια ανασκόπηση σημειώνει ότι η μέτρηση ενός κβαντικού συστήματος «αναπόφευκτα το διαταράσσει» και το χρησιμοποιεί αυτό ως κίνητρο για το quantum key distribution ως μια πρωταρχική μέθοδο ασφάλειας που μπορεί να ανιχνεύσει την υποκλοπή μέσω ανιχνεύσιμων ανωμαλιών που εισάγονται από τη μέτρηση[7]. Στην ανίχνευση και τις διαγνώσεις, μια άλλη ανασκόπηση ορίζει τον χρόνο coherence ως άμεσο καθοριστικό παράγοντα της ευαισθησίας και υπογραμμίζει ότι τα NV centers σε διαμάντι μπορούν να διατηρήσουν τη coherence σε θερμοκρασία δωματίου, επιτρέποντας την ανίχνευση ασθενών μαγνητικών πεδίων που σχετίζονται με νευρωνικά ή βιομοριακά σήματα[8].
Τέλος, πολλοί συγγραφείς αντιμετωπίζουν τη decoherence και τα «θερμά, υγρά και θορυβώδη» βιολογικά περιβάλλοντα ως ένα κεντρικό πρόβλημα γέφυρας που πρέπει να επιλυθεί για τη σύνδεση των κβαντικών μοντέλων με τα ζωντανά συστήματα, ενώ υποστηρίζουν επίσης ότι τα στοιχεία για κβαντικές εξηγήσεις σε διάφορες βιολογικές λειτουργίες έχουν δώσει ώθηση στην κβαντική βιολογία ως διακριτό πεδίο μελέτης[4].
Εφαρμοσμένες και τεχνολογικές τομές
Το ισχυρότερο και πιο άμεσο κοινό έδαφος μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της ιατρικής έγκειται σε τεχνολογίες που είτε εκμεταλλεύονται άμεσα κβαντικά φαινόμενα (π.χ. spin physics στη MRI, στατιστική φωτονίων στην κβαντική απεικόνιση) είτε χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογισμούς/ανίχνευση για τη βελτίωση των ροών εργασίας στην υγειονομική περίθαλψη. Η βιβλιογραφία υποδηλώνει επίσης ότι αυτές οι τεχνολογίες συγκεντρώνονται γύρω από τη διαγνωστική υποστήριξη, την εξατομίκευση και την υπολογιστική επιτάχυνση, σε συμφωνία με τα αποτελέσματα του horizon scanning που δείχνουν ότι οι διαγνώσεις κυριαρχούν στις εντοπισμένες τεχνολογίες κβαντικής υγείας και ότι το quantum computing και τα quantum dots είναι ιδιαίτερα κοινοί τύποι εφαρμογών[1].
Ιατρική απεικόνιση
Η ιατρική απεικόνιση περιγράφεται ως ακρογωνιαίος λίθος της κλινικής διάγνωσης και του σχεδιασμού θεραπείας, και πολλαπλές ανασκοπήσεις περιγράφουν ρητά πώς τα κβαντικά φαινόμενα αξιοποιούνται για τη βελτίωση της ταχύτητας, της ανάλυσης και της ποιότητας του σήματος της απεικόνισης[9]. Μια ανασκόπηση εστιασμένη στην απεικόνιση σημειώνει ότι οι «βασισμένες στο spin κβαντικές αρχές διέπουν τη λειτουργία της MRI» και υποστηρίζει περαιτέρω ότι οι πρόοδοι στον κβαντικό έλεγχο μπορούν να βελτιώσουν την ευκρίνεια και να μειώσουν τον χρόνο σάρωσης, συνδέοντας την απόδοση της απεικόνισης με τους μηχανισμούς χαλάρωσης και τη βελτίωση του λόγου σήματος προς θόρυβο που μπορεί να μειώσει τον χρόνο σάρωσης βελτιώνοντας παράλληλα την ανάλυση[9]. Το ίδιο σώμα ανασκοπήσεων περιγράφει το PET ως ένα νέο σύνορο για την κβαντική οπτική, αναφέροντας πειραματικές προσπάθειες που χρησιμοποιούν πεπλεγμένα ζεύγη φωτονίων και ανιχνευτές που αναλύουν τον αριθμό των φωτονίων για την επίτευξη ανάλυσης κάτω του χιλιοστού στην απεικόνιση PET[9].
Η κβαντική απεικόνιση γενικότερα περιγράφεται ως αξιοποίηση του entanglement και των συσχετίσεων φωτονίων για τη λήψη υψηλότερης ανάλυσης, αντίθεσης και λόγου σήματος προς θόρυβο από την κλασική οπτική, και ως επέκταση της απεικόνισης πέρα από τις ανατομικές δομές σε μεταβολικές διεργασίες και μοριακές αλληλεπιδράσεις σε πραγματικό χρόνο[8]. Αυτό το πλαίσιο συνδέεται άμεσα με κλινικές επιδιώξεις, όπως η ελαχιστοποίηση της έκθεσης με παράλληλη διατήρηση της ακρίβειας και η δυνατότητα οπτικοποίησης μαλακών ιστών ή βιομορίων που είναι διαφανή στο ορατό φως, συμπεριλαμβανομένων προσεγγίσεων κβαντικής υπερ-ανάλυσης που χρησιμοποιούν παρεμβολή πολλαπλών φωτονίων και πεπλεγμένες καταστάσεις φωτός[8].
Κβαντική ανίχνευση
Οι κβαντικοί αισθητήρες τοποθετούνται ως μια οδός για ενισχυμένη βιοϊατρική μέτρηση, επειδή μπορούν να προσφέρουν μεγαλύτερη ευαισθησία και υψηλότερη χωρική ανάλυση «εφαρμόζοντας κβαντικές ιδιότητες για ενισχυμένη απόδοση», η οποία στη συνέχεια αντιστοιχίζεται σε ιατρικούς στόχους, όπως ο ακριβέστερος εντοπισμός μαγνητικών σημάτων από τον εγκέφαλο και την καρδιά[10]. Η δυνατότητα χρήσης σε φορητές συσκευές και η κλινική πρακτικότητα τονίζονται επανειλημμένα, συμπεριλαμβανομένων προτάσεων για ελαφριά κράνη ή ζώνες με συστοιχίες μικρών αισθητήρων (π.χ. βασισμένων σε ουδέτερα άτομα ή ατέλειες διαμαντιού) και του ισχυρισμού ότι η περαιτέρω ανάπτυξη θα μπορούσε να επιτρέψει τη λειτουργία υπό συνθήκες περιβάλλοντος χωρίς κρυογονική ή θωρακισμένους θαλάμους[10]. Μια αφήγηση μετάβασης από το βραχυπρόθεσμο στο μακροπρόθεσμο στάδιο είναι επίσης σαφής, με μια ανασκόπηση να προβλέπει βραχυπρόθεσμες εφαρμογές στην ερευνητική βιοαπεικόνιση, την spectroscopy και την microscopy για μοριακή ανάλυση, και μακροπρόθεσμες εφαρμογές στην ιατρική απεικόνιση/διάγνωση και την ανάλυση της αποτελεσματικότητας των φαρμάκων[10].
Η ανίχνευση μέσω NV-center επισημαίνεται επανειλημμένα ως παράδειγμα κλινικά σχετικής κβαντικής ανίχνευσης, επειδή τα NV centers μπορούν να διατηρήσουν τη coherence σε θερμοκρασία δωματίου και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κβαντικοί βιοαισθητήρες για ασθενή μαγνητικά πεδία, τα οποία η βιβλιογραφία συνδέει με νευρωνικά μαγνητικά σήματα και ακόμη και με ανίχνευση σε βιομοριακή κλίμακα[8]. Αυτό το ίδιο πλαίσιο συνδέεται με περιπτώσεις χρήσης στην ογκολογία και τις νευροεπιστήμες, συμπεριλαμβανομένου του ισχυρισμού ότι τα μαγνητόμετρα NV έχουν χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση μαγνητικής δραστηριότητας τύπου εγκεφάλου σε εργαστηριακά μοντέλα και ότι τα NV centers μπορούν να εντοπίσουν μη φυσιολογικά μεταβολικά πρότυπα ή μαγνητικές ανωμαλίες που αποδίδονται σε καρκινικά κύτταρα, γεγονός που παρουσιάζεται ως δυνατότητα πρωιμότερης ανίχνευσης κακοήθειας από ό,τι επιτρέπει η τρέχουσα απεικόνιση[8].
Κβαντική υπολογιστική και κβαντική μηχανική μάθηση
Σε πολλαπλές έρευνες και αφηγηματικές ανασκοπήσεις, το quantum computing πλαισιώνεται ως σχετικό με την ιατρική επειδή μπορεί να αντιμετωπίσει υπολογιστικές προκλήσεις που περιγράφονται ως «ανυπέρβλητες για τους κλασικούς υπολογιστές», ειδικά στην ανακάλυψη φαρμάκων, τη γονιδιωματική, την εξατομικευμένη ιατρική και τη βελτιστοποίηση της ακτινοθεραπείας, σε εργασίες όπως ο Monte Carlo υπολογισμός δόσης και η βελτιστοποίηση του σχεδίου θεραπείας[6]. Αρκετοί συγγραφείς το στηρίζουν αυτό ρητά σε ιδιότητες επιπέδου qubit, σημειώνοντας ότι τα qubits μπορούν να αξιοποιήσουν τη superposition και το entanglement και έτσι να αναπαραστήσουν εκθετικά περισσότερες πληροφορίες από τα κλασικά bits σε ορισμένες διατυπώσεις, γεγονός που χρησιμοποιείται ως κίνητρο για πιθανά πλεονεκτήματα στη μοριακή προσομοίωση και την αναγνώριση προτύπων για βιοϊατρικά δεδομένα[6, 11].
Αναφέρονται κλινικές και ιατρικές εφαρμογές κβαντικής υπολογιστικής proof-of-concept σε «γονιδιωματική, κλινική έρευνα και ανακάλυψη, διαγνώσεις και θεραπείες και παρεμβάσεις», και μια ανασκόπηση υποστηρίζει ότι η κβαντική μηχανική μάθηση (QML) έχει εξελιχθεί ραγδαία και μπορεί να είναι ανταγωνιστική με τα κλασικά σημεία αναφοράς σε περιορισμένες εκδοχές ιατρικών προβλημάτων[12]. Η ίδια ανασκόπηση συνδέει αυτή την πορεία με ένα μακροπρόθεσμο όραμα προληπτικής, εξατομικευμένης καθοδήγησης, ενώ παράλληλα τονίζει τις πρακτικές προϋποθέσεις για την κλινική υιοθέτηση, όπως η προσβασιμότητα των δεδομένων, η επεξηγησιμότητα (explainability) για την εξασφάλιση της υποστήριξης των κλινικών ιατρών και η ιδιωτικότητα των ασθενών[12].
Στις ανασκοπήσεις QML που εστιάζουν στην απεικόνιση, το κίνητρο πλαισιώνεται συχνά ως κλινική πίεση για ταχύτερες και ακριβέστερες διαγνώσεις εν μέσω αυξανόμενων όγκων εξετάσεων και ελλείψεων κλινικών ιατρών, και τα υβριδικά κβαντικά-κλασικά μοντέλα παρουσιάζονται ως απάντηση στις απαιτήσεις για καλύτερη επεξεργασία σήματος σε MRI και EEG[13]. Αυτές οι μελέτες αναφέρουν συγκεκριμένα παραδείγματα, συμπεριλαμβανομένου ενός ταξινομητή QML για τη βαθμολόγηση της σοβαρότητας της νόσου Alzheimer που υλοποιήθηκε σε 5-qubit hardware ή προσομοιωτές, κβαντικά ενισχυμένων μοντέλων EEG (QEEGNet) που υπερέχουν του παραδοσιακού EEGNet σε ένα σύνολο δεδομένων ανταγωνισμού, και αλγορίθμων κβαντικής ανακατασκευής CT που στοχεύουν στον μετριασμό των παρασίτων των κλασικών μεθόδων ανακατασκευής[13].
Οι έρευνες QML τονίζουν επίσης ότι οι περισσότερες ιατρικές μελέτες QML εξακολουθούν να εκτελούνται σε προσομοιωτές αντί για πραγματικό κβαντικό υλικό, με αυτόν τον περιορισμό να αποδίδεται στο πρώιμο στάδιο ανάπτυξης του κβαντικού υλικού και στην περιορισμένη προσβασιμότητα των κβαντικών επεξεργαστών, παρόλο που ο φόρτος εργασίας στον ιατρικό τομέα περιγράφεται ως κίνητρο για την υποστήριξη του αυτοματισμού στην ταξινόμηση ασθενειών[14]. Η συμπληρωματική βιβλιογραφία QML υπογραμμίζει τόσο τις υποσχέσεις όσο και τους περιορισμούς, σημειώνοντας ότι τα κβαντικά SVMs, QCNNs και τα variational κβαντικά κυκλώματα διερευνώνται για εργασίες ιατρικής απεικόνισης υψηλών διαστάσεων, ενώ επισημαίνουν επίσης τα barren plateaus και τον θόρυβο NISQ, τους περιορισμένους αριθμούς qubits και τα υψηλά ποσοστά σφαλμάτων ως πρακτικά εμπόδια στις πραγματικές συσκευές[15].
Quantum dots και φωτονικές συσκευές
Τα quantum dots περιγράφονται επανειλημμένα ως ημιαγωγικά σωματίδια νανοκλίμακας των οποίων το quantum confinement οδηγεί σε οπτική εκπομπή σε συγκεκριμένα μήκη κύματος με υψηλή φωτεινότητα και σταθερότητα, και αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για να δικαιολογήσει την αξία τους στην οπτική απεικόνιση και τις διαγνώσεις[9]. Εξειδικευμένες ανασκοπήσεις QD τονίζουν τον ρυθμιζόμενο φθορισμό, την υψηλή κβαντική απόδοση και τη διείσδυση στη μεμβράνη ως ικανότητες που επιτρέπουν την κυτταρική και βιομοριακή απεικόνιση υψηλής ανάλυσης και τη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων, ενώ προειδοποιούν επίσης ότι η μακροπρόθεσμη σταθερότητα, η τοξικότητα, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις και η βιοσυσσώρευση αποτελούν βασικούς κινδύνους μετάβασης που πρέπει να μετριαστούν μέσω βελτιωμένης βιοσυμβατότητας και τροποποίησης της επιφάνειας[16].
Στα point-of-care διαγνωστικά, τα QDs τοποθετούνται ως φθορίζοντες αναφορείς λόγω των «υψηλών συντελεστών απορρόφησης, των ρυθμιζόμενων φασμάτων εκπομπής και της ενισχυμένης φωτοσταθερότητας», και περιγράφονται ως βελτίωση της απόδοσης της ταχείας διάγνωσης στη μικρορρευστομηχανική και τις ανοσοχρωματογραφικές δοκιμές πλευρικής ροής μειώνοντας τα όρια ανίχνευσης και επιτρέποντας την πολυπλεξία μέσω των ρυθμιζόμενων ως προς το μέγεθος μηκών κύματος εκπομπής[17]. Αυτές οι POC εφαρμογές συνδέονται με τις κλινικές λειτουργίες μέσω παραδειγμάτων όπως QDs συζευγμένα με αντισώματα για επιλεκτικές αναγνώσεις φθορισμού, ανίχνευση ιογενούς αντιγόνου σε επίπεδα sub-ng/mL σε ορισμένες δοκιμαστικές ταινίες και σύντομους χρόνους απόκρισης (συχνά κάτω από μισή ώρα) που μπορούν να ελαφρύνουν τον φόρτο των εργαστηρίων και να επιταχύνουν τις κλινικές αποφάσεις[17].
Πέρα από τα QDs, φωτονικές κβαντικές συσκευές όπως τα quantum cascade lasers προτείνονται για μη θερμικές θερανοστικές (theranostic) σαρώσεις, με ισχυριζόμενη καταλληλότητα για βιολογικούς ιστούς λόγω της κάλυψης mid-IR και terahertz, της διείσδυσης και των φασμάτων απορρόφησης, παράλληλα με ισχυρισμούς ότι η επιλεκτική δράση σε παθολογικούς ιστούς θα μπορούσε να υποστηρίξει την ελάχιστα επεμβατική διάγνωση και θεραπεία[18].
Κβαντική κρυπτογραφία και ασφάλεια ιατρικών δεδομένων
Αρκετές ανασκοπήσεις υποστηρίζουν ότι η κβαντική κρυπτογραφία είναι κλινικά σχετική επειδή η υγειονομική περίθαλψη εξαρτάται από την εμπιστευτικότητα και την ακεραιότητα των δεδομένων των ασθενών, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονικών αρχείων υγείας (EHRs) και των τηλεϊατρικών επικοινωνιών[7, 19]. Το quantum key distribution παρουσιάζεται ως μέσο ανταλλαγής κλειδιών κρυπτογράφησης με «απόλυτη ασφάλεια» και ως ικανό να ανιχνεύσει την υποκλοπή επειδή η μέτρηση διαταράσσει τα κβαντικά συστήματα και εισάγει ανιχνεύσιμες ανωμαλίες στις αναχαιτισμένες μεταδόσεις[7, 19]. Οι πιέσεις υιοθέτησης περιγράφονται ρητά, με μια αφηγηματική ανασκόπηση να αναφέρει ότι τα νοσοκομεία και οι ιατρικές εγκαταστάσεις υιοθετούν όλο και περισσότερο την κβαντική κρυπτογραφία για την προστασία των EHRs και περιγράφει τις τηλεπικοινωνίες με κβαντική ασφάλεια ως εμπιστευτικές και απαραβίαστες για απομακρυσμένες διαβουλεύσεις και ανταλλαγή ζωτικών πληροφοριών ασθενών[19].
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις βασικές εφαρμοσμένες τομές και τους τύπους κλινικής αξίας που προορίζονται κυρίως να προσφέρουν στις πηγές που εξετάστηκαν.
Κβαντική βιολογία και υγεία
Η κβαντική βιολογία παρουσιάζεται ως ένα αναδυόμενο πεδίο που διερευνά εάν τα κβαντικά φαινόμενα (συμπεριλαμβανομένων των superposition, entanglement, tunnelling και coherence) μπορούν να επηρεάσουν τις βιολογικές διεργασίες σε μοριακή και κυτταρική κλίμακα, ιδιαίτερα εκεί όπου η κλασική μηχανική μπορεί να είναι ανεπαρκής για τις ατομικές/υποατομικές αλληλεπιδράσεις[20]. Η βιβλιογραφία επιχειρηματολογεί υπέρ συγκεκριμένων μηχανιστικών υποψηφίων: η κβαντική coherence προτείνεται ως υποστηρικτική της αποτελεσματικής μεταφοράς ενέργειας στη φωτοσύνθεση, και το κβαντικό tunnelling εμπλέκεται στη μεταφορά πρωτονίων κατά τη διάρκεια της ενζυμικής κατάλυσης, με τον περαιτέρω ισχυρισμό ότι η κατανόηση τέτοιων κβαντικών αρχών θα μπορούσε να ενημερώσει τον σχεδιασμό αποτελεσματικότερων φαρμάκων[20].
Ένα πιο ρητά μεταφραστικό πλαίσιο εμφανίζεται στις ανασκοπήσεις «κβαντικής βιοϊατρικής» που υποστηρίζουν ότι τα βιολογικά συστήματα είναι «κβαντικά συστήματα» με την κυριολεκτική έννοια και ότι πολλαπλές διεργασίες απαραίτητες για τη ζωή (electron tunnelling σε αναπνευστικά συμπλέγματα, proton-coupled transfer σε μεταβολικά ένζυμα, coherence στη φωτοσύνθεση και spin dynamics στη σηματοδότηση ριζών) είναι εγγενώς κβαντομηχανικές, προτείνοντας έτσι ένα μηχανιστικό επίπεδο που συνδέει τη φυσική ηλεκτρονικής κλίμακας με τους κλινικούς φαινότυπους[2]. Αυτές οι ανασκοπήσεις συνδέουν επίσης ρητά την ατζέντα της κβαντικής βιολογίας με τις κβαντικές τεχνολογίες, επισημαίνοντας κβαντικούς αλγορίθμους (VQE, QPE, QITE) που στοχεύουν σε έντονα συσχετισμένα ηλεκτρονικά προβλήματα πέρα από τις κλασικές δυνατότητες και σημειώνοντας ότι οι τρέχουσες υλοποιήσεις περιορίζονται από το υλικό της εποχής NISQ, παρόλο που οι αλγόριθμοι και οι ανιχνευτικές πρόοδοι πλαισιώνονται ως αναδυόμενα εργαλεία για την ιατρική ακριβείας και τη μεταφραστική ιατρική[2].
Ένα βασικό εργαλείο σύνθεσης σε αυτή την υπο-βιβλιογραφία είναι ο προτεινόμενος αγωγός Quantum–Experimental–Clinical (QEC), ο οποίος περιγράφεται ως ενοποίηση κβαντικών προσομοιώσεων με πειραματική επικύρωση και multi-omics κλινικά δεδομένα για την ερμηνεία των φαινοτύπων της νόσου και τον εντοπισμό θεραπευτικών στόχων ευαίσθητων σε redox και spin, συμπεριλαμβανομένων εφαρμογών που συζητήθηκαν για τον μεταβολισμό του καρκίνου, τη νευροεκφυλιστική αναδίπλωση πρωτεϊνών, την ανοσοποιητική/φλεγμονώδη σηματοδότηση, τους μηχανισμούς λοιμωδών νοσημάτων και την ανακάλυψη φαρμάκων[2]. Το ίδιο πλαίσιο τοποθετεί ρητά τους κβαντικούς αισθητήρες (ειδικά εκείνους που βασίζονται σε NV-center) ως εργαλεία για την ανίχνευση ελάχιστων αλλαγών στα μαγνητικά πεδία, τα ηλεκτρικά πεδία, τη θερμοκρασία και τις καταστάσεις redox που περιγράφονται ως κεντρικές στη βιολογία των ασθενειών, και υποστηρίζει ότι οι επαναληπτικές ροές εργασίας μπορούν να επιταχύνουν τη μετάβαση από τις μοριακές προσομοιώσεις στην ιατρική ακριβείας[2].
Μια ευρύτερη ανασκόπηση προοπτικής τονίζει ότι τα κβαντικά φαινόμενα θεωρούνταν ιστορικά απίθανα στα ζωντανά συστήματα λόγω της αναμενόμενης decoherence σε θερμά, υγρά και θορυβώδη περιβάλλοντα, αλλά υποστηρίζει ότι τα στοιχεία σε διάφορες βιολογικές λειτουργίες οδήγησαν στην εμφάνιση της κβαντικής βιολογίας και έθεσαν ερωτήματα σχετικά με το πώς τα όρια κβαντικής-κλασικής συμπεριφοράς μπορεί να επηρεάσουν τις γνώσεις για την υγεία και την ασθένεια, συμπεριλαμβανομένων των επιδιώξεων για τη διαχείριση του καρκίνου[4].
Θεωρητικές και φιλοσοφικές κοινές πτυχές
Ορισμένη βιβλιογραφία στο όριο κβαντικής-ιατρικής εστιάζει λιγότερο σε συσκευές ή βιοχημικούς μηχανισμούς και περισσότερο σε θεωρητικούς ισχυρισμούς σχετικά με τον νου και την παρατήρηση. Μια ανασκόπηση υποστηρίζει ότι η κβαντομηχανική είναι πιο κατάλληλη από την κλασική μηχανική για να «φιλοξενήσει τη συνείδηση» και ισχυρίζεται ρητά ότι οι μειώσεις της κβαντικής κατάστασης και η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης θα μπορούσαν να αναπαραστήσουν φυσικά τον τρόπο με τον οποίο οι συνειδητές αποφάσεις γίνονται συγκεκριμένα αποτελέσματα καθώς τα νευρολογικά δίκτυα μεταδίδουν πληροφορίες[3]. Η ίδια ανασκόπηση συνδέει αυτό το θέμα με το πρόβλημα της κβαντικής μέτρησης, πλαισιώνοντας τη συνείδηση και την πραγματικότητα ως συνδεδεμένες μέσω του ερωτήματος γιατί δεν αντιλαμβανόμαστε συνειδητά τις κβαντικές superpositions αλλά αντ' αυτού αντιλαμβανόμαστε συγκεκριμένες καταστάσεις ή τοποθεσίες, και το παρουσιάζει αυτό ως μια εννοιολογική γέφυρα μεταξύ της κβαντικής θεωρίας και της συνειδητής αντίληψης[3].
Στο ίδιο πλαίσιο επιχειρηματολογίας, οι συγγραφείς προτείνουν πιθανές ιατρικές επιπτώσεις υποδηλώνοντας ότι οι κβαντικά εμπνευσμένες περιγραφές της νευρωνικής συναρμολόγησης και της κατάρρευσης σε μια «μοναδική τελική κατάσταση» θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην περιγραφή αλλαγών στη νευρωνική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια νευροεκφυλιστικών νοσημάτων (π.χ. νόσος Alzheimer) και ότι η αναισθητική αναστολή της συνειδητής δραστηριότητας θα μπορούσε να χαρτογραφηθεί χρησιμοποιώντας κβαντικές προβολές και γλώσσα ιδιοκαταστάσεων (eigenstates)[3]. Αυτές οι προτάσεις παρουσιάζονται ως δυνητικά σημαντικές για την ιατρική σε εκείνη την ανασκόπηση, η οποία δηλώνει ότι η προτεινόμενη θεωρία «θα μπορούσε να έχει τεράστιες επιπτώσεις στον τομέα της ιατρικής»[3].
Σύνθεση
Σε όλη την ανασκοπηθείσα βιβλιογραφία, αναδύονται κοινά νήματα που συνδέουν την κβαντική φυσική και την ιατρική μέσω κοινών μηχανισμών, περιορισμών και μεταφραστικών στόχων.
- Πρώτον, πολλοί συγγραφείς αντιμετωπίζουν τα κβαντικά φαινόμενα ως πόρους που επιτρέπουν τόσο τον υπολογισμό όσο και τη μέτρηση, τονίζοντας επανειλημμένα τη superposition και το entanglement ως την εννοιολογική βάση για το quantum computing, την κβαντική ανίχνευση και την κβαντική κρυπτογραφία, και στη συνέχεια τα αντιστοιχίζουν στην ανακάλυψη φαρμάκων, τις διαγνώσεις και την ασφαλή ανταλλαγή δεδομένων υγείας[1, 19].
- Δεύτερον, το πεδίο ενοποιείται από μια φιλοδοξία «γεφύρωσης της κλίμακας» στην οποία διεργασίες ηλεκτρονικής κλίμακας και κλίμακας spin συνδέονται με κλινικά παρατηρήσιμους φαινότυπους, όπως δηλώνεται ρητά στο έργο της κβαντικής βιοϊατρικής που περιγράφει ένα μηχανιστικό επίπεδο που συνδέει τις διεργασίες ηλεκτρονικής κλίμακας με τους κλινικούς φαινότυπους και προτείνει ολοκληρωμένους QEC αγωγούς μετάβασης για τη σύνδεση προσομοιώσεων, πειραμάτων και multi-omics κλινικών δεδομένων[2].
- Τρίτον, η βιβλιογραφία ορίζει τη μέτρηση, την ευαισθησία και τη coherence ως κοινούς επιχειρησιακούς περιορισμούς, με τον χρόνο coherence να συνδέεται ρητά με τη διαγνωστική ευαισθησία στην κβαντική βιοανίχνευση και με τη coherence σε θερμοκρασία δωματίου στα NV centers να αντιμετωπίζεται ως μια πρακτική οδός για κλινικά σχετική μαγνητομετρία, ενώ η κβαντική απεικόνιση πλαισιώνεται ως μέσο που επιτρέπει την απεικόνιση υψηλής ανάλυσης και χαμηλής έκθεσης μέσω entanglement και συσχετίσεων φωτονίων[8].
- Τέταρτον, μια επαναλαμβανόμενη υπολογιστική κοινή συνιστώσα είναι ότι πολλές από τις στοχευόμενες εργασίες υγειονομικής περίθαλψης (μοριακή προσομοίωση, σύνδεση μορίων, αναλυτική γονιδιωματικής, σχεδιασμός δόσης) είναι υψηλών διαστάσεων και απαιτούν έντονη βελτιστοποίηση, και οι συγγραφείς υποστηρίζουν επανειλημμένα ότι η αξία του quantum computing έγκειται στην επιτάχυνση ή τη βελτίωση της προσομοίωσης και της βελτιστοποίησης για αυτές τις εργασίες, συμπεριλαμβανομένης της βελτιστοποίησης της ακτινοθεραπείας και του Monte Carlo υπολογισμού δόσης[6, 21].
- Πέμπτον, το όριο μεταξύ κβαντικής και κλασικής συμπεριφοράς αντιμετωπίζεται το ίδιο ως ιατρικά σχετικό ερευνητικό ερώτημα, επειδή τα βιολογικά περιβάλλοντα θεωρείται ότι προκαλούν τα συνεκτικά κβαντικά αποτελέσματα μέσω της decoherence, ενώ άλλες ανασκοπήσεις υποστηρίζουν ότι οι κβαντικές εξηγήσεις ταιριάζουν καλύτερα σε ορισμένα βιολογικά φαινόμενα και θα μπορούσαν να ανοίξουν νέες προσεγγίσεις στη διάγνωση και τη διαχείριση ασθενειών εάν οι βασικές διεργασίες χρησιμοποιούν ουσιαστικά την κβαντομηχανική[4].
Περιορισμοί και προοπτικές
Σε όλη την εφαρμοσμένη βιβλιογραφία, ένας συνεπής περιορισμός είναι ότι το υλικό quantum computing παραμένει σε μεγάλο βαθμό πειραματικό και είναι «επί του παρόντος ανίκανο» να επιλύσει σχετικά ερωτήματα υγειονομικής περίθαλψης ανταγωνιστικά με την παραδοσιακή υπολογιστική υψηλών επιδόσεων, παρόλο που η προσοχή και οι επενδύσεις αυξάνονται και οι επιδείξεις proof-of-concept επεκτείνονται[11]. Οι περιορισμοί της εποχής NISQ τίθενται επίσης επανειλημμένα στο προσκήνιο, συμπεριλαμβανομένου του θορύβου της συσκευής, της decoherence, των ποσοστών σφάλματος, των περιορισμένων qubits και των ζητημάτων επεκτασιμότητας, καθώς και των αλγοριθμικών εμποδίων όπως οι δυσκολίες variational βελτιστοποίησης (συμπεριλαμβανομένων των barren plateaus), τα οποία συλλογικά περιορίζουν την άμεση ανάπτυξη για ισχυρούς κλινικούς φόρτους εργασίας[15, 22].
Ειδικά για την QML, οι έρευνες αναφέρουν ότι πολλά ιατρικά πειράματα QML εξακολουθούν να βασίζονται σε προσομοιωτές αντί για πραγματικό υλικό λόγω της περιορισμένης πρόσβασης και της πρώιμης ωριμότητας του υλικού, γεγονός που συνεπάγεται ότι οι συγκρίσεις απόδοσης και η γενίκευση σε προβλήματα κλινικής κλίμακας παραμένουν ενεργές ερευνητικές προκλήσεις[14]. Παράλληλα, οι κλινικά προσανατολισμένες ανασκοπήσεις QC τονίζουν ότι η μετάβαση θα απαιτήσει μη τεχνικές προϋποθέσεις, όπως η προσβασιμότητα των δεδομένων, η επεξηγησιμότητα (explainability) και η ιδιωτικότητα για την οικοδόμηση εμπιστοσύνης στους κλινικούς ιατρούς, και ορισμένες ανασκοπήσεις της ροής εργασίας ανακάλυψης φαρμάκων προσθέτουν ότι η πολυπλοκότητα των δεδομένων κλινικών δοκιμών και οι αυστηρές απαιτήσεις ιδιωτικότητας δημιουργούν εμπόδια που ωθούν σε ασφαλή πλαίσια ενοποίησης δεδομένων[12, 23].
Στην κβαντική ανίχνευση και απεικόνιση, η προοπτική που παρουσιάζεται είναι αισιόδοξη αλλά εξελικτική, με προβλεπόμενη πρόοδο προς φορητούς βιοαισθητήρες συνθηκών περιβάλλοντος και προς μεθόδους κβαντικής απεικόνισης που μπορούν να ελαχιστοποιήσουν την έκθεση βελτιώνοντας παράλληλα την ανάλυση και επιτρέποντας την απεικόνιση σε μοριακή κλίμακα ή τον μεταβολισμό, υποδηλώνοντας έναν σταδιακό οδικό χάρτη από την ερευνητική βιοαπεικόνιση και την spectroscopy στην κλινική απεικόνιση και διάγνωση[8, 10]. Στη μετάβαση των quantum dots, η βιβλιογραφία συνδέει σταθερά τις δυνατότητες απεικόνισης και point-of-care με ανησυχίες για την τοξικότητα και τη βιοσυσσώρευση, και περιγράφει την ανταλλαγή προσδεμάτων επιφάνειας και τις στρατηγικές εγκλεισμού ως ενεργές προσεγγίσεις για τη βελτίωση της βιοσυμβατότητας και της ασφάλειας, υποδηλώνοντας ότι η μηχανική υλικών και η ρυθμιστική αξιολόγηση είναι πιθανό να αποτελέσουν καθοριστικούς παράγοντες για την κλινική υιοθέτηση[16].
