บทนำ
ฟิสิกส์ควอนตัมมีความคาบเกี่ยวกับแพทยศาสตร์ในหลากหลายมิติ ตั้งแต่เทคโนโลยีทางคลินิกที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลาย ไปจนถึงกระบวนทัศน์ด้านการคำนวณและการตรวจวัดที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ และข้อเสนอในเชิงคาดการณ์ที่แยกออกไปเกี่ยวกับจิตใจและสติสัมปชัญญะ จุดตัดที่นำมาประยุกต์ใช้นั้นเห็นได้ชัดในเทคโนโลยีการวินิจฉัยและการสร้างภาพ โดยการสำรวจแนวโน้มในอนาคต (horizon scanning) ทั่วทั้งการดูแลสุขภาพได้ระบุถึง “quantum technologies” 116 รายการ โดยมีการใช้ magnetoencephalography (MEG), quantum dots และอุปกรณ์ที่ใช้ SQUID บ่อยครั้งสำหรับการทำแผนที่สมอง การสร้างภาพ และการวินิจฉัยโรคหัวใจ ซึ่งการวินิจฉัยคิดเป็น 54% ของการใช้งานที่ระบุในการสำรวจนั้น[1] รายงานฉบับเดียวกันระบุว่า quantum computing (28%) และ quantum dots (24%) เป็นหมวดหมู่การประยุกต์ใช้ที่พบบ่อยที่สุด และ 27% ของเทคโนโลยีเหล่านี้มีการผสานรวม AI โดยเฉพาะสำหรับการแพทย์เฉพาะบุคคลและการวินิจฉัยด้วยภาพ[1]
จุดตัดประการที่สองคือในเชิงกลไก: บทวิจารณ์หลายฉบับโต้แย้งว่า “กระบวนการที่จำเป็นต่อชีวิต” (เช่น electron tunnelling ใน respiratory complexes, proton-coupled transfer ใน metabolic enzymes, coherence ใน photosynthesis และ spin dynamics ใน radical signalling) นั้น “เป็นกลศาสตร์ควอนตัมโดยเนื้อแท้” และอาจเชื่อมโยงฟิสิกส์ในระดับอิเล็กตรอนเข้ากับ clinical phenotypes[2] จุดตัดประการที่สามคือในเชิงแนวคิดและทฤษฎี โดยผู้เขียนบางคนผูกโยงสติสัมปชัญญะและการรับรู้ที่แน่นอนเข้ากับปัญหาการวัดทางควอนตัม (quantum measurement problem) และการลดทอนสถานะควอนตัม (quantum-state reduction) ว่าเป็นกลไกที่นำเสนอสำหรับการตัดสินใจและการรับรู้[3]
แง่มุมพื้นฐานที่เหมือนกัน
รากฐานร่วมกันระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมและการแพทย์คือ สัญญาณและการแทรกแซงที่มีคุณค่าทางคลินิกมักมีต้นกำเนิดในระดับโมเลกุล อะตอม หรือต่ำกว่าอะตอม แม้ว่าปรากฏการณ์ทางคลินิกจะเป็นระดับมหภาคก็ตาม และบทวิจารณ์หลายฉบับเชื่อมโยง “nanoscale particles” และหลักการควอนตัมในระดับ “subatomic” เข้ากับอุปกรณ์และสมมติฐานทางชีวการแพทย์อย่างชัดเจน[4, 5] บทวิจารณ์เชิงการดูแลสุขภาพหลายฉบับเน้นย้ำว่า quantum computing แตกต่างจากการประมวลผลแบบดั้งเดิมโดยการใช้ qubits และปรากฏการณ์ควอนตัม (superposition และ entanglement) เพื่อแทนข้อมูลในรูปแบบที่แตกต่างจากบิตแบบดั้งเดิมอย่างพื้นฐาน และมองว่านี่เป็นฐานที่ช่วยให้เกิดการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ในขั้นต่อๆ ไป เช่น การจำลองโมเลกุลและการวินิจฉัย[6]
การวัดและความสอดคล้อง (coherence) เป็นประเด็นร่วมที่สำคัญเช่นกัน เนื่องจากการวินิจฉัยและอุปกรณ์ควอนตัมต่างต้องการการจัดการที่ระมัดระวังว่าการสังเกตส่งผลต่อสัญญาณอย่างไร บทวิจารณ์หนึ่งระบุว่าการวัดระบบควอนตัม “รบกวนระบบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้” และใช้สิ่งนี้เพื่อกระตุ้นการพัฒนา quantum key distribution ในฐานะพื้นฐานความปลอดภัยที่สามารถตรวจจับการลักลอบดักฟังผ่านความผิดปกติที่ตรวจพบซึ่งเกิดจากการวัด[7] ในด้านการตรวจวัดและการวินิจฉัย บทวิจารณ์อีกฉบับกำหนดให้ coherence time เป็นตัวกำหนดความไวโดยตรง และเน้นย้ำว่า NV centers ในเพชรสามารถรักษาความสอดคล้องได้ที่อุณหภูมิห้อง ช่วยให้ตรวจจับสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอซึ่งเกี่ยวข้องกับสัญญาณของเซลล์ประสาทหรือชีวโมเลกุลได้[8]
ในที่สุด ผู้เขียนหลายคนถือว่าการสูญเสียความสอดคล้อง (decoherence) และสภาวะแวดล้อมทางชีวภาพที่ “อุ่น เปียก และมีเสียงรบกวน” เป็นปัญหาสะพานเชื่อมที่สำคัญที่ต้องได้รับการแก้ไขเพื่อเชื่อมต่อแบบจำลองควอนตัมเข้ากับระบบสิ่งมีชีวิต ในขณะเดียวกันก็โต้แย้งว่าหลักฐานสำหรับคำอธิบายเชิงควอนตัมในหน้าที่ทางชีวภาพต่างๆ ได้กระตุ้นให้เกิด quantum biology ในฐานะสาขาวิชาที่แยกจากกัน[4]
จุดตัดด้านการประยุกต์ใช้และเทคโนโลยี
จุดร่วมที่แข็งแกร่งและชัดเจนที่สุดระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมและการแพทย์อยู่ในเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมโดยตรง (เช่น spin physics ใน MRI, สถิติโฟตอนใน quantum imaging) หรือใช้การคำนวณ/การตรวจวัดทางควอนตัมเพื่อปรับปรุงขั้นตอนการทำงานด้านการดูแลสุขภาพ วรรณกรรมยังชี้ให้เห็นว่าเทคโนโลยีเหล่านี้รวมกลุ่มกันอยู่รอบๆ การสนับสนุนการวินิจฉัย การปรับแต่งให้เหมาะกับบุคคล และการเร่งความเร็วในการคำนวณ ซึ่งสอดคล้องกับผลการสำรวจแนวโน้มที่แสดงให้เห็นว่าการวินิจฉัยครอบคลุมเทคโนโลยีควอนตัมเพื่อการดูแลสุขภาพส่วนใหญ่ และ quantum computing กับ quantum dots เป็นประเภทการใช้งานที่พบบ่อยเป็นพิเศษ[1]
การสร้างภาพทางการแพทย์
การสร้างภาพทางการแพทย์ถูกอธิบายว่าเป็นรากฐานสำคัญของการวินิจฉัยทางคลินิกและการวางแผนการรักษา และบทวิจารณ์หลายฉบับระบุอย่างชัดเจนว่ามีการนำปรากฏการณ์ควอนตัมมาใช้เพื่อปรับปรุงความเร็วในการสร้างภาพ ความละเอียด และคุณภาพของสัญญาณอย่างไร[9] บทวิจารณ์หนึ่งที่เน้นด้านการสร้างภาพระบุว่า “หลักการควอนตัมที่ใช้พื้นฐานของสปิน (spin-based) เป็นพื้นฐานของการทำงานของ MRI” และโต้แย้งเพิ่มเติมว่าความก้าวหน้าในการควบคุมเชิงควอนตัมสามารถปรับแต่งความชัดเจนและลดเวลาการสแกน โดยเชื่อมโยงประสิทธิภาพการสร้างภาพเข้ากับกลไกการผ่อนคลาย (relaxation mechanisms) และการปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ซึ่งสามารถลดเวลาสแกนในขณะที่เพิ่มความละเอียดได้[9] กลุ่มบทวิจารณ์เดียวกันอธิบายว่า PET เป็นพรมแดนใหม่สำหรับ quantum optics โดยรายงานความพยายามเชิงทดลองที่ใช้คู่โฟตอนที่พัวพันกันและเครื่องตรวจจับจำนวนโฟตอน (photon-number-resolving detectors) เพื่อให้ได้ความละเอียดในระดับต่ำกว่ามิลลิเมตรในการสร้างภาพ PET[9]
quantum imaging ในวงกว้างถูกอธิบายว่าเป็นการใช้ประโยชน์จากความพัวพันและความสัมพันธ์ของโฟตอนเพื่อให้ได้ความละเอียด ความคมชัด และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่สูงกว่าเลนส์แบบดั้งเดิม และเป็นการขยายการสร้างภาพให้ไกลกว่าโครงสร้างทางกายวิภาคไปสู่กระบวนการเผาผลาญและปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในเวลาจริง[8] กรอบแนวคิดนี้เชื่อมโยงโดยตรงกับความต้องการทางคลินิก เช่น การลดการสัมผัสรังสีในขณะที่ยังคงความแม่นยำ และช่วยให้สามารถมองเห็นเนื้อเยื่ออ่อนหรือชีวโมเลกุลที่โปร่งแสงต่อแสงที่มองเห็นได้ รวมถึงผ่านวิธีการ quantum super-resolution ที่ใช้การแทรกสอดของโฟตอนหลายตัวและสถานะของแสงที่พัวพันกัน[8]
การตรวจวัดด้วยควอนตัม
เซนเซอร์ควอนตัมถูกวางตำแหน่งให้เป็นแนวทางสู่การวัดทางชีวการแพทย์ที่ดียิ่งขึ้น เนื่องจากสามารถให้ความไวที่สูงขึ้นและความละเอียดเชิงพื้นที่ที่มากกว่าโดยการ “ประยุกต์ใช้คุณสมบัติทางควอนตัมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ” ซึ่งจะถูกจับคู่กับเป้าหมายทางการแพทย์ เช่น การระบุตำแหน่งสัญญาณแม่เหล็กจากสมองและหัวใจที่แม่นยำยิ่งขึ้น[10] ความสามารถในการสวมใส่และความเป็นไปได้ทางคลินิกถูกเน้นย้ำซ้ำๆ รวมถึงข้อเสนอสำหรับหมวกกันน็อกหรือเข็มขัดน้ำหนักเบาที่มีอาร์เรย์ของเซนเซอร์ขนาดเล็ก (เช่น ที่ใช้พื้นฐานจากอะตอมที่เป็นกลางหรือ diamond defects) และการกล่าวอ้างว่าการพัฒนาต่อไปจะช่วยให้ทำงานได้ภายใต้สภาวะแวดล้อมปกติโดยไม่ต้องใช้ระบบทำความเย็นจัด (cryogenics) หรือห้องที่มีการป้องกันสัญญาณ[10] เรื่องราวการเปลี่ยนผ่านจากระยะใกล้ไปสู่ระยะยาวก็มีความชัดเจน โดยบทวิจารณ์หนึ่งคาดการณ์ถึงการประยุกต์ใช้ในระยะใกล้ในการสร้างภาพทางชีวภาพเพื่อการวิจัย สเปกโทรสโกปี และกล้องจุลทรรศน์สำหรับการวิเคราะห์โมเลกุล และการประยุกต์ใช้ในระยะยาวในการสร้างภาพ/การวินิจฉัยทางการแพทย์และการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของยา[10]
การตรวจวัดด้วย NV-center ถูกยกขึ้นเป็นตัวอย่างของการตรวจวัดด้วยควอนตัมที่เกี่ยวข้องทางคลินิกบ่อยครั้ง เนื่องจาก NV centers สามารถรักษาความสอดคล้องได้ที่อุณหภูมิห้องและสามารถใช้เป็นเซนเซอร์ชีวภาพควอนตัมสำหรับสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอ ซึ่งวรรณกรรมเชื่อมโยงเข้ากับสัญญาณแม่เหล็กของเซลล์ประสาทและแม้แต่การตรวจวัดในระดับชีวโมเลกุล[8] กรอบแนวคิดเดียวกันนี้เชื่อมโยงกับกรณีการใช้งานในด้านมะเร็งวิทยาและประสาทวิทยาศาสตร์ รวมถึงการกล่าวอ้างว่าเครื่องวัดความเข้มสนามแม่เหล็ก NV ถูกนำมาใช้เพื่อทำแผนที่การทำงานของแม่เหล็กที่คล้ายสมองในแบบจำลองห้องปฏิบัติการ และ NV centers สามารถระบุรูปแบบเมตาบอลิซึมที่ผิดปกติหรือความผิดปกติของแม่เหล็กที่เกิดจากเซลล์เนื้องอก ซึ่งถูกจัดวางให้เป็นการเปิดโอกาสให้ตรวจพบมะเร็งได้เร็วกว่าที่การสร้างภาพในปัจจุบันจะอนุญาต[8]
คอมพิวเตอร์ควอนตัมและการเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม
ในผลการสำรวจและบทวิจารณ์เชิงบรรยายหลายฉบับ quantum computing ถูกกำหนดให้มีความเกี่ยวข้องกับการแพทย์เนื่องจากอาจจัดการกับความท้าทายด้านการคำนวณที่อธิบายว่า “ยากเกินกว่าที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมจะรับมือได้” โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการค้นหาตัวยาใหม่, จีโนมิกส์, การแพทย์เฉพาะบุคคล และการปรับปรุงการรักษาด้วยรังสีให้เหมาะสม เช่น การคำนวณปริมาณรังสีแบบ Monte Carlo และการวางแผนการรักษาให้เหมาะสม[6] ผู้เขียนหลายคนวางรากฐานเรื่องนี้ในคุณสมบัติระดับ qubit โดยระบุว่า qubits สามารถใช้ประโยชน์จากการซ้อนทับและความพัวพัน จึงสามารถแทนข้อมูลได้มากกว่าบิตแบบดั้งเดิมอย่างทวีคูณในรูปแบบการคำนวณบางประเภท ซึ่งใช้เพื่อกระตุ้นให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่อาจเกิดขึ้นในการจำลองโมเลกุลและการจดจำรูปแบบสำหรับข้อมูลทางชีวการแพทย์[6, 11]
มีการรายงานการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทางการแพทย์และทางคลินิกในขั้นพิสูจน์แนวคิดครอบคลุมถึง “จีโนมิกส์, การวิจัยและการค้นพบทางคลินิก, การวินิจฉัย, และการรักษาและการแทรกแซง” และบทวิจารณ์หนึ่งโต้แย้งว่าการเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม (quantum machine learning) มีวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วและสามารถแข่งขันกับเกณฑ์มาตรฐานแบบดั้งเดิมในปัญหาทางการแพทย์รุ่นย่อส่วนได้[12] บทวิจารณ์เดียวกันเชื่อมโยงเส้นทางนี้เข้ากับวิสัยทัศน์ระยะยาวของการให้คำแนะนำเชิงรุกและเฉพาะเจาะจง ในขณะเดียวกันก็เน้นย้ำถึงข้อกำหนดเบื้องต้นในทางปฏิบัติสำหรับการนำไปใช้ทางคลินิก เช่น การเข้าถึงข้อมูล, ความสามารถในการอธิบายเพื่อให้ได้รับการสนับสนุนจากแพทย์ และความเป็นส่วนตัวของผู้ป่วย[12]
ในบทวิจารณ์ QML ที่เน้นด้านการสร้างภาพ แรงจูงใจมักถูกกำหนดโดยแรงกดดันทางคลินิกสำหรับการวินิจฉัยที่รวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้นท่ามกลางปริมาณการสแกนที่เพิ่มขึ้นและการขาดแคลนแพทย์ และมีการนำเสนอโมเดลแบบผสมผสานระหว่างควอนตัมและดั้งเดิม (hybrid quantum–classical models) เพื่อตอบสนองต่อความต้องการการประมวลผลสัญญาณที่ดีขึ้นใน MRI และ EEG[13] บทความเหล่านี้รายงานตัวอย่างที่เป็นรูปธรรม รวมถึงตัวจำแนกประเภท QML สำหรับการจัดระดับความรุนแรงของโรคอัลไซเมอร์ที่ใช้งานบนฮาร์ดแวร์หรือตัวจำลองขนาด 5-qubit, โมเดล EEG ที่ได้รับการเสริมประสิทธิภาพด้วยควอนตัม (QEEGNet) ที่ให้ผลลัพธ์เหนือกว่า EEGNet แบบดั้งเดิมในชุดข้อมูลการแข่งขัน และอัลกอริทึมการสร้างภาพ CT แบบควอนตัมที่มุ่งเน้นการลดสิ่งแปลกปลอม (artifacts) จากวิธีการสร้างภาพแบบดั้งเดิม[13]
การสำรวจ QML ยังเน้นย้ำว่าการศึกษา QML ทางการแพทย์ส่วนใหญ่ยังคงดำเนินการบนตัวจำลองแทนที่จะเป็นฮาร์ดแวร์ควอนตัมจริง โดยข้อจำกัดนี้มาจากระยะเริ่มต้นของการพัฒนาฮาร์ดแวร์ควอนตัมและการเข้าถึงหน่วยประมวลผลควอนตัมที่จำกัด แม้ว่าภาระงานทางการแพทย์จะถูกอธิบายว่าเป็นแรงผลักดันในการสนับสนุนการทำงานอัตโนมัติสำหรับการจำแนกโรคก็ตาม[14] วรรณกรรม QML เสริมยังเน้นย้ำทั้งความหวังและข้อจำกัด โดยระบุว่ามีการสำรวจควอนตัม SVMs, QCNNs และวงจรควอนตัมแบบแปรผัน (variational quantum circuits) สำหรับงานสร้างภาพทางการแพทย์ที่มีมิติสูง ในขณะเดียวกันก็ชี้ให้เห็นถึงปรากฏการณ์ barren plateaus และสัญญาณรบกวนในยุค NISQ, จำนวน qubit ที่จำกัด และอัตราข้อผิดพลาดสูงว่าเป็นอุปสรรคในทางปฏิบัติบนอุปกรณ์จริง[15]
ควอนตัมดอทและอุปกรณ์โฟโทนิกส์
quantum dots ถูกอธิบายซ้ำๆ ว่าเป็นอนุภาคเซมิคอนดักเตอร์ระดับนาโนซึ่งการกักกันเชิงควอนตัม (quantum confinement) นำไปสู่การปล่อยแสงที่ความยาวคลื่นเฉพาะด้วยความสว่างและความเสถียรสูง และคุณสมบัตินี้ใช้เพื่ออธิบายคุณค่าในด้านการสร้างภาพทางออปติคัลและการวินิจฉัย[9] บทวิจารณ์เฉพาะทางด้าน QD เน้นย้ำถึงการเรืองแสงที่ปรับแต่งได้ (tunable fluorescence), ผลผลิตควอนตัมสูง และการทะลุผ่านเมมเบรนว่าเป็นความสามารถที่ช่วยให้สร้างภาพระดับเซลล์และชีวโมเลกุลที่มีความละเอียดสูง และสำหรับการนำส่งยาแบบเป้าหมาย ในขณะเดียวกันก็เตือนว่าความเสถียรในระยะยาว, ความเป็นพิษ, ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และการสะสมในสิ่งมีชีวิตเป็นความเสี่ยงที่สำคัญในการนำไปใช้จริง ซึ่งต้องได้รับการแก้ไขผ่านการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางชีวภาพและการปรับเปลี่ยนพื้นผิว[16]
ในการวินิจฉัย ณ จุดดูแลผู้ป่วย (point-of-care) QDs ถูกวางตำแหน่งเป็นตัวรายงานการเรืองแสงเนื่องจากมี “ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงขนาดใหญ่, สเปกตรัมการปล่อยแสงที่ปรับแต่งได้ และความคงทนต่อแสงที่เพิ่มขึ้น” และถูกอธิบายว่าช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการวินิจฉัยที่รวดเร็วในระบบไมโครฟลูอิดิกส์และการตรวจวัดทางภูมิคุ้มกันแบบไหลในแนวราบ (lateral flow immunoassays) โดยการลดขีดจำกัดการตรวจวัดและช่วยให้สามารถตรวจวัดหลายอย่างพร้อมกัน (multiplexing) ผ่านความยาวคลื่นการปล่อยแสงที่ปรับตามขนาดได้[17] การประยุกต์ใช้ POC เหล่านี้เชื่อมโยงกับการปฏิบัติงานทางคลินิกด้วยตัวอย่าง เช่น QDs ที่จับคู่กับแอนติบอดีสำหรับการอ่านค่าการเรืองแสงแบบเฉพาะเจาะจง, การตรวจหาแอนติเจนของไวรัสในระดับต่ำกว่า ng/mL ในแถบทดสอบบางชนิด และเวลาในการรายงานผลที่รวดเร็ว (มักจะต่ำกว่าครึ่งชั่วโมง) ซึ่งสามารถลดภาระของห้องปฏิบัติการและเร่งการตัดสินใจทางคลินิกได้[17]
นอกเหนือจาก QDs อุปกรณ์ควอนตัมโฟโทนิกส์ เช่น quantum cascade lasers ได้รับการเสนอสำหรับการสแกนเพื่อการวินิจฉัยร่วมกับการรักษา (theranostic) แบบไม่ใช้ความร้อน โดยมีการกล่าวอ้างถึงความเหมาะสมสำหรับเนื้อเยื่อทางชีวภาพเนื่องจากครอบคลุมช่วง mid-IR และเทราเฮิร์ตซ์, การทะลุผ่าน และสเปกตรัมการดูดกลืนแสง พร้อมกับการกล่าวอ้างว่าการออกฤทธิ์เฉพาะเจาะจงต่อเนื้อเยื่อทางพยาธิวิทยาอาจสนับสนุนการวินิจฉัยและการรักษาแบบรุกรานน้อยที่สุด[18]
การเข้ารหัสควอนตัมและความปลอดภัยของข้อมูลทางการแพทย์
บทวิจารณ์หลายฉบับระบุว่าการเข้ารหัสควอนตัมมีความเกี่ยวข้องทางคลินิกเนื่องจากการดูแลสุขภาพขึ้นอยู่กับการรักษาความลับและความครบถ้วนของข้อมูลผู้ป่วย รวมถึงบันทึกสุขภาพอิเล็กทรอนิกส์ (EHR) และการสื่อสารผ่านระบบการแพทย์ทางไกล[7, 19] มีการนำเสนอ quantum key distribution ว่าช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนกุญแจเข้ารหัสด้วย “ความปลอดภัยสมบูรณ์แบบ” และสามารถตรวจจับการลักลอบดักฟังได้เนื่องจากการวัดจะรบกวนระบบควอนตัมและทำให้เกิดความผิดปกติที่ตรวจพบได้ในการส่งข้อมูลที่ถูกขัดขวาง[7, 19] แรงกดดันในการนำมาใช้งานถูกอธิบายอย่างชัดเจน โดยบทวิจารณ์เชิงบรรยายฉบับหนึ่งระบุว่าโรงพยาบาลและสถานพยาบาลกำลังหันมาใช้การเข้ารหัสควอนตัมมากขึ้นเพื่อปกป้อง EHR และอธิบายว่าการสื่อสารโทรคมนาคมที่รักษาความปลอดภัยด้วยควอนตัมนั้นเป็นความลับและป้องกันการปลอมแปลงสำหรับการปรึกษาทางไกลและการแลกเปลี่ยนข้อมูลสำคัญของผู้ป่วย[19]
ตารางด้านล่างสรุปจุดตัดที่ประยุกต์ใช้ที่สำคัญและประเภทของคุณค่าทางคลินิกที่ได้รับจากแหล่งข้อมูลที่ผ่านการตรวจสอบ
ชีววิทยาควอนตัมและสุขภาพ
ชีววิทยาควอนตัมถูกนำเสนอในฐานะสาขาวิชาเกิดใหม่ที่ตรวจสอบว่าปรากฏการณ์ควอนตัม (รวมถึงการซ้อนทับ, ความพัวพัน, การลอดอุโมงค์ และความสอดคล้อง) สามารถส่งผลกระทบต่อกระบวนการทางชีวภาพในระดับโมเลกุลและเซลล์ได้หรือไม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในจุดที่กลศาสตร์ดั้งเดิมอาจไม่เพียงพอสำหรับปฏิกิริยาระหว่างอะตอม/ต่ำกว่าอะตอม[20] วรรณกรรมเสนอแนะกลไกที่เฉพาะเจาะจง: มีการเสนอว่า quantum coherence สนับสนุนการถ่ายเทพลังงานที่มีประสิทธิภาพในการสังเคราะห์ด้วยแสง และ quantum tunneling เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทโปรตอนระหว่างการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ พร้อมกับข้ออ้างเพิ่มเติมว่าการเข้าใจหลักการควอนตัมดังกล่าวอาจเป็นข้อมูลสำหรับการออกแบบยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น[20]
กรอบแนวคิดการนำไปใช้จริงที่ชัดเจนยิ่งขึ้นปรากฏในบทวิจารณ์ “เวชศาสตร์ควอนตัม” (quantum biomedicine) ที่โต้แย้งว่าระบบชีวภาพคือ “ระบบควอนตัม” ในความหมายโดยตรง และกระบวนการที่จำเป็นต่อชีวิตหลายอย่าง (electron tunnelling ใน respiratory complexes, proton-coupled transfer ใน metabolic enzymes, coherence ใน photosynthesis และ spin dynamics ใน radical signalling) นั้นเป็นกลศาสตร์ควอนตัมโดยเนื้อแท้ จึงนำเสนอกระบวนการในระดับกลไกที่เชื่อมโยงฟิสิกส์ระดับอิเล็กตรอนเข้ากับ clinical phenotypes[2] บทวิจารณ์เหล่านี้ยังเชื่อมโยงวาระของชีววิทยาควอนตัมเข้ากับเทคโนโลยีควอนตัมอย่างชัดเจน โดยเน้นย้ำถึงอัลกอริทึมที่ใช้ควอนตัมโดยกำเนิด (VQE, QPE, QITE) ซึ่งมุ่งเป้าไปที่ปัญหาอิเล็กตรอนที่มีความสัมพันธ์กันอย่างแข็งแกร่ง (strongly correlated electronic problems) ที่เกินความสามารถของคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม และโดยการระบุว่าการใช้งานในปัจจุบันถูกจำกัดโดยฮาร์ดแวร์ในยุค NISQ แม้ว่าความก้าวหน้าในด้านอัลกอริทึมและการตรวจวัดจะถูกกำหนดให้เป็นเครื่องมือใหม่สำหรับการแพทย์แม่นยำและการนำไปใช้จริง[2]
เครื่องมือสังเคราะห์ข้อมูลที่สำคัญในวรรณกรรมกลุ่มย่อยนี้คือการเสนอแนวทางท่อส่งข้อมูล Quantum–Experimental–Clinical (QEC) ซึ่งอธิบายว่าเป็นการผสานรวมการจำลองเชิงควอนตัมเข้ากับการตรวจสอบเชิงทดลองและข้อมูลทางคลินิกแบบ multi-omics เพื่อตีความฟีโนไทป์ของโรคและระบุเป้าหมายการรักษาที่ไวต่อรีดอกซ์และสปิน รวมถึงการประยุกต์ใช้ที่พูดถึงสำหรับเมตาบอลิซึมของมะเร็ง, การพับตัวที่ผิดปกติของโปรตีนที่นำไปสู่การเสื่อมของระบบประสาท, การส่งสัญญาณภูมิคุ้มกัน/การอักเสบ, กลไกของโรคติดเชื้อ และการค้นหาตัวยาใหม่[2] กรอบงานเดียวกันนี้จัดวางตำแหน่งเซนเซอร์ควอนตัม (โดยเฉพาะที่ใช้ NV-center) ให้เป็นเครื่องมือสำหรับการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในสถาณะแม่เหล็ก, สนามไฟฟ้า, อุณหภูมิ และสถานะรีดอกซ์ ซึ่งถูกอธิบายว่าเป็นศูนย์กลางของชีววิทยาของโรค และโต้แย้งว่าขั้นตอนการทำงานแบบวนซ้ำสามารถเร่งการเปลี่ยนผ่านจากการจำลองโมเลกุลไปสู่การแพทย์แม่นยำได้[2]
บทวิจารณ์ในมุมมองที่กว้างขึ้นเน้นย้ำว่า ในอดีตผลกระทบทางควอนตัมถูกมองว่าไม่น่าเกิดขึ้นในระบบสิ่งมีชีวิตเนื่องจากการสูญเสียความสอดคล้อง (decoherence) ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่อุ่น เปียก และมีเสียงรบกวน แต่โต้แย้งว่าหลักฐานจากหน้าที่ทางชีวภาพที่หลากหลายได้นำไปสู่การกำเนิดของชีววิทยาควอนตัม และได้สร้างคำถามที่เกี่ยวข้องกับแพทย์เกี่ยวกับวิธีการที่จุดตัดระหว่างควอนตัมและแบบดั้งเดิมอาจส่งผลต่อความเข้าใจเรื่องสุขภาพและโรค รวมถึงความคาดหวังในการจัดการมะเร็ง[4]
แง่มุมพื้นฐานเชิงทฤษฎีและปรัชญา
วรรณกรรมบางส่วนที่รอยต่อระหว่างควอนตัมและการแพทย์เน้นที่อุปกรณ์หรือกลไกทางชีวเคมีน้อยลง แต่เน้นที่การกล่าวอ้างเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับจิตใจและการสังเกต บทวิจารณ์หนึ่งโต้แย้งว่ากลศาสตร์ควอนตัมมีความเหมาะสมมากกว่ากลศาสตร์ดั้งเดิมในการ “รองรับเรื่องสติสัมปชัญญะ” และระบุอย่างชัดเจนว่าการลดทอนสถานะควอนตัมและการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นสามารถแทนการที่การตัดสินใจอย่างมีสติกลายเป็นผลลัพธ์ที่แน่นอนได้อย่างชัดเจนทางกายภาพในขณะที่เครือข่ายระบบประสาทส่งข้อมูล[3] บทวิจารณ์เดียวกันเชื่อมโยงสิ่งนี้เข้ากับปัญหาการวัดทางควอนตัมโดยกำหนดให้สติสัมปชัญญะและความเป็นจริงเชื่อมโยงกันผ่านคำถามที่ว่าทำไมเราจึงไม่รับรู้ถึงการซ้อนทับทางควอนตัมอย่างมีสติ แต่กลับรับรู้ถึงสถานะหรือตำแหน่งที่แน่นอนแทน และนำเสนอสิ่งนี้ในฐานะสะพานเชื่อมเชิงแนวคิดระหว่างทฤษฎีควอนตัมและการรับรู้ที่มีสติ[3]
ภายในบรรทัดฐานการโต้แย้งเดียวกัน ผู้เขียนเสนอแนะนัยสำคัญทางการแพทย์ที่อาจเกิดขึ้นโดยระบุว่า คำอธิบายที่ได้รับแรงบันดาลใจจากควอนตัมเกี่ยวกับการรวมตัวของระบบประสาทและการยุบตัวสู่ “สถานะสุดท้ายเพียงหนึ่งเดียว” (singular final state) สามารถช่วยอธิบายการเปลี่ยนแปลงในการทำงานของระบบประสาทระหว่างที่เป็นโรคเสื่อมของระบบประสาท (เช่น โรคอัลไซเมอร์) และการที่ยาสลบยับยั้งการทำงานของสติสัมปชัญญะสามารถทำแผนที่ได้โดยใช้การฉายภาพควอนตัมและภาษาของสถานะไอเกน (eigenstate)[3] ข้อเสนอเหล่านี้ถูกนำเสนอว่าอาจส่งผลสำคัญต่อการแพทย์ในบทวิจารณ์นั้น ซึ่งระบุว่าทฤษฎีที่เสนอนี้ “อาจมีนัยสำคัญมหาศาลต่อสาขาแพทยศาสตร์”[3]
การสังเคราะห์ข้อมูล
จากวรรณกรรมที่ผ่านการตรวจสอบ เส้นด้ายที่เชื่อมโยงฟิสิกส์ควอนตัมและการแพทย์เข้าด้วยกันปรากฏขึ้นผ่านกลไก ข้อจำกัด และเป้าหมายในการนำไปใช้จริงที่ใช้ร่วมกัน
- ประการแรก ผู้เขียนหลายคนถือว่าปรากฏการณ์ควอนตัมเป็นทรัพยากรที่เอื้ออำนวยต่อทั้งการคำนวณและการวัด โดยเน้นย้ำถึงการซ้อนทับและความพัวพันซ้ำๆ ว่าเป็นพื้นฐานเชิงแนวคิดสำหรับ quantum computing, quantum sensing และ quantum cryptography จากนั้นจึงจับคู่สิ่งเหล่านี้เข้ากับการค้นหาตัวยาใหม่, การวินิจฉัย และการแลกเปลี่ยนข้อมูลสุขภาพที่ปลอดภัย[1, 19]
- ประการที่สอง สาขานี้เป็นอันหนึ่งอันเดียวกันด้วยความมุ่งหวังใน “การเชื่อมต่อระดับสเกล” (scale-bridging) ซึ่งกระบวนการในระดับอิเล็กตรอนและสปินถูกเชื่อมโยงกับฟีโนไทป์ที่สังเกตได้ทางคลินิก ดังที่ระบุไว้อย่างชัดเจนในงานด้านเวชศาสตร์ควอนตัมที่อธิบายถึงชั้นของกลไกที่เชื่อมโยงกระบวนการระดับอิเล็กตรอนกับฟีโนไทป์ทางคลินิก และนำเสนอแนวทางท่อส่งข้อมูลการเปลี่ยนผ่าน QEC ที่ผสานรวมเพื่อเชื่อมต่อการจำลอง การทดลอง และข้อมูลทางคลินิกแบบ multi-omics[2]
- ประการที่สาม วรรณกรรมกำหนดให้การวัด ความไว และความสอดคล้องเป็นข้อจำกัดในการดำเนินงานร่วมกัน โดยมี coherence time เชื่อมโยงโดยตรงกับความไวในการวินิจฉัยใน quantum biosensing และมีความสอดคล้องที่อุณหภูมิห้องใน NV centers ถูกมองว่าเป็นเส้นทางปฏิบัติไปสู่เครื่องวัดความเข้มสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องทางคลินิก ในขณะที่ quantum imaging ถูกกำหนดให้ช่วยให้การสร้างภาพมีความละเอียดสูงและมีการสัมผัสรังสีต่ำผ่านความพัวพันและความสัมพันธ์ของโฟตอน[8]
- ประการที่สี่ ความเหมือนกันด้านการคำนวณที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งคือ งานด้านการดูแลสุขภาพเป้าหมายหลายอย่าง (การจำลองโมเลกุล, การเชื่อมต่อ (docking), การวิเคราะห์จีโนมิกส์, การวางแผนปริมาณรังสี) มีมิติสูงและต้องอาศัยการปรับปรุงให้เหมาะสมอย่างมาก และผู้เขียนโต้แย้งซ้ำๆ ว่าคุณค่าของ quantum computing อยู่ที่การเร่งความเร็วหรือการปรับปรุงการจำลองและการหาค่าที่เหมาะสมสำหรับงานเหล่านี้ รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพการรักษาด้วยรังสีและการคำนวณปริมาณรังสีแบบ Monte Carlo[6, 21]
- ประการที่ห้า เส้นแบ่งระหว่างพฤติกรรมควอนตัมและแบบดั้งเดิมนั้นเป็นประเด็นการวิจัยที่เกี่ยวข้องทางการแพทย์ในตัวเอง เนื่องจากมีการโต้แย้งว่าสภาพแวดล้อมทางชีวภาพท้าทายผลกระทบควอนตัมที่สอดคล้องกันผ่านการสูญเสียความสอดคล้อง (decoherence) ในขณะที่บทวิจารณ์อื่นๆ โต้แย้งว่าคำอธิบายทางควอนตัมเหมาะสมกับปรากฏการณ์ทางชีวภาพบางอย่างมากกว่า และสามารถเปิดแนวทางใหม่ในการวินิจฉัยและการจัดการโรคได้หากกระบวนการหลักใช้กลศาสตร์ควอนตัมอย่างมีนัยสำคัญ[4]
ข้อจำกัดและแนวโน้มในอนาคต
ในวรรณกรรมเชิงประยุกต์ ข้อจำกัดที่สอดคล้องกันคือ ฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงอยู่ในขั้นทดลองเป็นส่วนใหญ่ และ “ในปัจจุบันไม่สามารถ” แก้ไขคำถามด้านการดูแลสุขภาพที่เกี่ยวข้องได้ในระดับที่สามารถแข่งขันกับการประมวลผลประสิทธิภาพสูงแบบดั้งเดิม แม้ว่าความสนใจและการลงทุนจะเพิ่มขึ้นและการสาธิตขั้นพิสูจน์แนวคิดจะขยายตัวก็ตาม[11] ข้อจำกัดในยุค NISQ ยังถูกนำเสนอไว้ในลำดับหน้าซ้ำๆ รวมถึงสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์, การสูญเสียความสอดคล้อง (decoherence), อัตราข้อผิดพลาด, จำนวน qubits ที่จำกัด และปัญหาความสามารถในการขยายขนาด ตลอดจนอุปสรรคด้านอัลกอริทึม เช่น ความยากลำบากในการหาค่าที่เหมาะสมแบบแปรผัน (รวมถึง barren plateaus) ซึ่งรวมกันแล้วจำกัดการใช้งานทันทีสำหรับภาระงานทางคลินิกที่แข็งแกร่ง[15, 22]
สำหรับ QML โดยเฉพาะ มีรายงานจากการสำรวจว่าการทดลอง QML ทางการแพทย์จำนวนมากยังคงอาศัยตัวจำลองแทนที่จะเป็นฮาร์ดแวร์จริงเนื่องจากการเข้าถึงที่จำกัดและความสมบูรณ์ของฮาร์ดแวร์ในระยะเริ่มแรก ซึ่งหมายความว่าการเปรียบเทียบประสิทธิภาพและการขยายผลสู่ปัญหาระดับคลินิกยังคงเป็นความท้าทายในการวิจัยอย่างต่อเนื่อง[14] ในขณะเดียวกัน บทวิจารณ์ QC ที่เน้นทางคลินิกเน้นย้ำว่าการนำไปใช้จริงจะต้องอาศัยเงื่อนไขที่ไม่ใช่ทางเทคนิค เช่น การเข้าถึงข้อมูล, ความสามารถในการอธิบาย และความเป็นส่วนตัว เพื่อสร้างความเชื่อมั่นให้กับแพทย์ และบทวิจารณ์ท่อส่งข้อมูลการค้นหาตัวยาใหม่บางฉบับระบุเพิ่มเติมว่าความซับซ้อนของข้อมูลการทดลองทางคลินิกและข้อกำหนดความเป็นส่วนตัวที่เข้มงวดทำให้เกิดคอขวดที่กระตุ้นให้เกิดกรอบงานการรวมข้อมูลที่ปลอดภัย[12, 23]
ในการตรวจวัดและการสร้างภาพทางควอนตัม แนวโน้มที่นำเสนอเป็นไปในทางบวกแต่ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา โดยมีการวาดภาพความคืบหน้าไปสู่เซนเซอร์ชีวภาพแบบสวมใส่ที่ทำงานในสภาวะปกติ และไปสู่วิธีการสร้างภาพทางควอนตัมที่สามารถลดการสัมผัสรังสีในขณะที่ปรับปรุงความละเอียดและช่วยให้สามารถสร้างภาพในระดับโมเลกุลหรือเมตาบอลิซึมได้ ซึ่งบ่งชี้ถึงแผนงานที่เป็นลำดับขั้นตอนจากการสร้างภาพทางชีวภาพเพื่อการวิจัยและสเปกโทรสโกปีไปสู่การสร้างภาพและการวินิจฉัยทางคลินิก[8, 10] ในการเปลี่ยนผ่านของ quantum dot วรรณกรรมได้จับคู่ศักยภาพของการสร้างภาพและการตรวจ ณ จุดดูแลผู้ป่วยเข้ากับความกังวลเรื่องความเป็นพิษและการสะสมในสิ่งมีชีวิตอย่างสม่ำเสมอ และอธิบายว่ากลยุทธ์การแลกเปลี่ยนลิแกนด์บนพื้นผิวและการห่อหุ้มเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความปลอดภัย โดยบ่งชี้ว่าวิศวกรรมวัสดุและการประเมินกฎระเบียบมีแนวโน้มที่จะเป็นปัจจัยกำหนดสำหรับการนำไปใช้ทางคลินิก[16]
