Als je het woord 'kwantum' hoort, "Je kunt je voorstellen dat natuurkundigen werken aan een nieuwe baanbrekende theorie. Of misschien heb je gelezen over kwantumcomputers en hoe ze de wereld kunnen veranderen. Maar een minder bekend veld begint ook de vruchten te plukken van het kwantumrijk:geneeskunde.

Als onderdeel van het EU-vlaggenschipprogramma Quantum Technologies, een aantal kwantumtechnologieën wordt in Europa ontwikkeld om een ​​verscheidenheid aan velden te transformeren. Vooral geneeskunde lijkt te winnen, met verschillende projecten die nu lopen om te zien hoe we medische beeldvorming kunnen verbeteren of bepaalde ziekten gemakkelijker kunnen opsporen.

Een van die projecten is macQsimal, die kleine apparaten gebruikt die bekend staan ​​als kwantumsensoren om een ​​revolutie teweeg te brengen in verschillende gebieden - quantum-enabled atoomklokken, gyroscopen, magnetometers, en nauwkeurigere metingen van elektromagnetische straling en gasconcentratie. Het project, die in oktober 2018 begon, hoopt hun ideeën op de markt te brengen als een van de eerste kwantumtechnologieën.

"Het doel is om producten als prototype op de markt te brengen, " zei Dr. Jacques Haesler van het Zwitserse Centrum voor Elektronica en Microtechnologie (CSEM), de projectcoördinator voor macQsimal. "Aan het einde, (wij willen) verdere stappen kunnen zetten om deze apparaten vervolgens te commercialiseren. Maar we moeten ook nadenken over de volgende generatie kwantumsensoren, die meer mooie kwantumeffecten zullen gebruiken, zoals verstrengeling of de superpositie van staten."

Kwantumsensoren

Een kwantumsensor is in wezen een heel klein apparaatje, misschien zo groot als een suikerklontje, die zeer nauwkeurige metingen kan doen met behulp van de bekende vreemdheid van de kwantumwereld. Hier, deeltjes zijn als één verbonden over grote afstanden, bekend als verstrengeling, of zelfs op twee plaatsen tegelijk verschijnen, superpositie genoemd.

Dit kan met name handig zijn bij zaken als beeldvorming van de hersenen. Momenteel, Magneto-encefalografie (MEG) scanners zijn afhankelijk van omvangrijke apparatuur die moet worden gekoeld met vloeibare stikstof of vloeibaar helium. Als resultaat, de machines zijn niet alleen groot, maar ze kunnen niet in de buurt van iemands schedel komen om hersenactiviteit te meten - in plaats daarvan meten ze van veraf met behulp van sensoren.

"Het doel is om deze instrumenten te vervangen door een soort helm waarop je alle sensoren zou kunnen zetten, die je op de schedel kunt zetten, zodat u de nauwkeurigheid van de meting kunt verbeteren, " zei Dr. Haesler. "Je kunt dan een helm maken met honderden sensoren. Dus dan kun je op honderden verschillende punten op de schedel meten waar het magnetische veld vandaan komt."

Het macQsimal-project hoopt te bewijzen dat dit kan werken met behulp van de magnetometers die het ontwikkelt. Door de afmetingen van de apparatuur drastisch te verkleinen, het zou mogelijk zijn om veel gemakkelijker ziekten in de hersenen van een persoon op te sporen. De hoop is dat binnen vijf jaar de technologie die ze ontwikkelen, kan commercieel worden gebruikt.

Er kunnen ook andere voordelen zijn, zoals cardiale beeldvorming - het maken van beelden van het hart om te controleren op ziekten - die veel baat zouden kunnen hebben bij deze kleinere en nauwkeurigere sensoren, en ook het ontdekken van medicijnen - het vinden van nieuwe medicijnen om bepaalde ziekten aan te pakken. "Er zijn waarschijnlijk veel meer toepassingen op medisch gebied, " voegde Dr. Haesler eraan toe.

hyperpolarisatie

Door onderzoek te doen naar een kwantumtechniek genaamd hyperpolarisatie, andere onderzoekers willen zien of MRI-scanners veel gevoeliger en nauwkeuriger kunnen worden gemaakt dan nu het geval is. Dit is het doel van een project genaamd MetaboliQS project, ook gestart in oktober 2018.

"We proberen in feite om MRI misschien een factor 10 te maken, 000 gevoeliger, " zei Dr. Christoph Nebel van het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Vaste-stoffysica in Duitsland, de projectcoördinator. "Met behulp van de hyperpolarisatie van biomoleculen, die worden geïnjecteerd, deze moleculen zijn afgestemd om zich op te hopen in bepaald weefsel. En als ze zich ophopen, de MRI kan gemakkelijker detecteren wat er aan de hand is."

Bij hypergepolariseerde MRI worden beelden gemaakt door naar de minuscule fysica van cellen en moleculen te kijken om te zien wat er in ons lichaam gebeurt. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van selectieve biomarkermoleculen, die op dit moment moeten worden gekoeld tot -270°C en vervolgens worden opgewarmd tot lichaamstemperatuur. Dit proces duurt niet alleen lang - minstens 30 minuten - het is ook extreem kostbaar.

Maar met behulp van kwantumsensoren gemaakt met diamanten, het MetaboliQS-team denkt dat ze het hele proces kunnen uitvoeren met milde koeling of bij kamertemperatuur zonder helemaal geen koeling. Hierdoor kunnen MRI-machines gemakkelijker tijdgevoelige effecten in het lichaam waarnemen, zoals kankerweefsel, en maak ook meer gedetailleerde foto's.

"Als je de beelden verbetert, zie je meer details, u kunt onderscheid maken tussen ziekte in een vroeg stadium of in een later stadium, of dood weefsel, "zei Dr. Nebel. "Betere beelden hebben betekent dat je je medische begrip veel beter maakt."

Dit zou ook nieuwe wegen kunnen openen voor MRI-scanners, zoals onderzoek naar implantaten of inzicht in hoe ziekten zich in het menselijk lichaam ontwikkelen. En als het lukt, MRI-beeldvorming zou al in 2020 een van de eerste gezondheidsgebieden kunnen zijn die profiteren van kwantumtechnieken. "Hyperpolarisatie is zeker iets dat de eerste echte (medische) toepassing van kwantumtechnologie kan zijn, " zei dr. Nebel.

Gezondheids condities

Als deze projecten slagen, het scala aan omstandigheden dat ze kunnen aanpakken, is enorm. Dr. Haesler merkt op dat dementie en de ziekte van Alzheimer beide gemakkelijker kunnen worden gediagnosticeerd met behulp van nauwkeurigere MRI-scanners. En beeldvorming van hart en hersenen zou hiervan profiteren, waardoor andere problemen met fijnere details kunnen worden bekeken.

"Met deze kwantumsensoren die we momenteel ontwikkelen, je kunt heel goed nieuwe neuronactiviteit detecteren, " zei Dr. Nebel. "We kunnen in principe heel kleine moleculen onderzoeken, biosystemen. Dit is eigenlijk MRI op nanoschaal."

De volgende stappen zijn nu deze producten op de markt te brengen, en bewijzen dat ze gecommercialiseerd kunnen worden. En met de hulp van het vlaggenschipprogramma van de EU, het is te hopen dat technologieën zoals deze het begin kunnen zijn van een opwindend nieuw kwantumtijdperk dat een directe impact heeft op ons leven.

En dat is niet alleen binnen het domein van de geneeskunde. Het programma kijkt ook naar manieren om betere atoomklokken en andere apparaten te ontwikkelen die kunnen verbeteren, bijvoorbeeld, hoe we onze mobiele telefoonnetwerken gebruiken. Maar het zijn de medische toepassingen die waarschijnlijk als eerste zullen aankomen, met essentiële gevolgen voor onze gezondheid.

"In vijf jaar, wij vinden dat de atoomklok en de magnetometer op de markt moeten komen, " zei Dr. Haesler. "We werken ook aan de tweede generatie sensoren, die gevoeliger zijn, en kan over 15 tot 20 jaar op de markt komen."