Vandaag, iemand met borstkanker kan verschillende ronden chemotherapie ondergaan en maanden in het ongewisse doorbrengen voordat medische scans kunnen aantonen of die specifieke cocktail van giftige medicijnen de tumor doet krimpen.

Onderzoekers van Case Western Reserve University werken eraan om dat te veranderen. Ze hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld, genaamd Magnetic Resonance Fingerprinting, die gebruikmaakt van gevoeligere scantechnieken die ze verwachten, zouden kunnen detecteren of behandelingen werken na slechts één dosis chemo.

"We denken dat we die veranderingen binnen een week kunnen beginnen te zien, in vergelijking met zes maanden, " zei Mark Griswold, Case Western Reserve hoogleraar radiologie en directeur MRI-onderzoek. "Dat is echt belangrijk voor zowel de resultaten van de patiënt als de kwaliteit van leven, want als je chemotherapie niet werkt, je gewoon vergiftigd je lichaam voor niets."

De nieuwe methode heeft een ongelooflijke belofte, maar het ontwerpen van de scans om snel en nauwkeurig ziekte te diagnosticeren is een enorm uitdagend rekenprobleem dat innovatieve benaderingen vereist. Nu hebben de Case Western Reserve-onderzoekers een oplossing voor dat probleem gevonden - en dramatische verbeteringen gezien - met behulp van algoritmen die zijn ontwikkeld door het kwantumcomputerteam van Microsoft.

Microsoft's "quantum-geïnspireerde" algoritmen, ontworpen om te profiteren van toekomstige kwantumcomputers, lenen van principes van de kwantumfysica om extreem moeilijke rekenproblemen op te lossen. Maar ze kunnen ook draaien op klassieke computers die tegenwoordig algemeen verkrijgbaar zijn.

Ze hebben het Case Western Reserve-team in staat gesteld om scans te maken die tot drie keer sneller zijn dan eerdere state-of-the-art benaderingen, evenals scans die bijna 30 procent nauwkeuriger zijn in het meten van een belangrijke identificatie van ziekte.

Die vooruitgang zou artsen kunnen helpen kanker en andere ziekten eerder op te sporen, nieuwe medicijnen te ontwikkelen voor aandoeningen waar vooruitgang tegenwoordig moeilijk te meten is of beeldvorming te gebruiken om kanker te diagnosticeren in plaats van te vertrouwen op invasieve procedures zoals biopsieën.

De op kwantum geïnspireerde algoritmen van Microsoft zijn vooral handig voor optimalisatieproblemen - waarbij een groot aantal mogelijkheden moet worden doorzocht om een ​​optimale of efficiënte oplossing te vinden - die zo complex zijn en zoveel rekenkracht vereisen dat de huidige technologieën moeite hebben om ze op te lossen.

Typische voorbeelden zijn bijvoorbeeld het zorgen voor een vlotte doorstroming van het verkeer over een hele metropool, het toewijzen van gate- en tarmacruimte op een drukke internationale luchthaven of bepalen hoe ingewikkelde productieprocessen het beste kunnen worden geordend voor veel verschillende apparaten.

Naast het versterken van het werk van Case Western Reserve om kanker en andere ziekten sneller en betrouwbaarder op te sporen, Het kwantumteam van Microsoft werkt ook samen met de Dubai Electricity and Water Authority, die op kwantum geïnspireerde algoritmen gebruikt om erachter te komen hoe de hulpbronnen van verschillende energiebronnen op een ideale manier in evenwicht kunnen worden gebracht over het hele elektriciteitsnet.

Willis Towers Watson, een wereldwijd advies, makelaardij en oplossingen bedrijf, onderzoekt ook hoe de op kwantum geïnspireerde algoritmen van Microsoft de complexe wiskundige modellen kunnen verbeteren die het bedrijf gebruikt om risico's te kwantificeren en investeringsstrategieën te informeren.

Microsoft-onderzoekers ontwikkelden de algoritmen als onderdeel van een grotere inspanning om de meest stabiele en schaalbare kwantumcomputer in de industrie te maken met behulp van kwantuminformatiedeeltjes die topologische qubits worden genoemd. Als het eenmaal is gebouwd, de onderzoekers zeggen dat het kwantumcomputerplatform wetenschappers in staat zou kunnen stellen om in minuten berekeningen uit te voeren, wat de huidige computers miljarden jaren zou kosten.

De op kwantum geïnspireerde algoritmen simuleren hoe die systemen werken, maar kunnen op bestaande computers worden uitgevoerd. Naarmate de ontwikkeling van een kwantumcomputer voor algemene doeleinden vordert, bedrijven kunnen tegenwoordig lid worden van het Microsoft Quantum Network om toegang te krijgen tot nieuwe, op kwantum geïnspireerde services die werken met Microsoft Azure en klassieke computerhardware zoals centrale verwerkingseenheden (CPU's), grafische verwerkingseenheden (GPU's) en veldprogrammeerbare poortarrays (FPGA's).

"Het blijkt dat kwantumdenken en de lessen die we hebben geleerd van het programmeren van de computer ons hebben geleid tot een doorbraak die we vandaag klassiek kunnen uitvoeren, " zei Julie Liefde, Microsoft's directeur van Quantum Business Development.

Dat stelt het Microsoft-team in staat om klantoplossingen in de gezondheidszorg te ontwikkelen en te versnellen, financieel management, olie- en gas- en auto-industrie, ze zei.

"Er komt krachtigere hardware aan, maar deze kwantumvooruitgang vindt nu plaats, ' zei Liefde.

'Resultaten die we met niets anders hebben kunnen zien'

Zoals elke ouder weet, het is mogelijk om je hand op het voorhoofd van een kind te leggen en een goed idee te krijgen of hij of zij koorts heeft.

Maar zonder een thermometer om de temperatuur te meten, het is moeilijker om een ​​weloverwogen beslissing te nemen over wat te doen - of het nu afwachten is, behandel met medicijnen of haast u naar het ziekenhuis.

Magnetische resonantie-vingerafdrukken is een techniek om artsen die een MRI interpreteren dezelfde mate van kwantitatieve precisie te geven over een reeks weefseleigenschappen, in plaats van te vertrouwen op ervaring om subjectief te beslissen of de helderheid of kleur van een bepaald gebied aangeeft dat het weefsel ziek of gezond is. Het is momenteel in gebruik in een dozijn academische medische centra, en in de komende jaren wordt meer wijdverbreide adoptie verwacht, aldus onderzoekers.

"Miljoenen en miljoenen mensen zijn gered of hebben hun leven verbeterd door MRI, maar grotendeels wat we tot nu toe hebben gedaan, is het equivalent van onze hand op iemands hoofd leggen, "zei Griswold. "De grote verandering die vingerafdrukken mogelijk maken, is dat we de cijfers kunnen krijgen, zoals een temperatuurmeting, waarmee je direct een diagnose kunt stellen."

Magnetische resonantie vingerafdrukken, waarvan is aangetoond dat het beter presteert dan vergelijkbare kwantitatieve MRI-protocollen met een factor 1,8, produceert numerieke metingen van weefseleigenschappen voor elke pixel van een afbeelding. Het bereikt dit door veel ingewikkelder pulssequenties te gebruiken - onschadelijke radiogolven die in combinatie met magnetische velden onderscheidende signalen genereren van verschillende soorten vet, weefsel of tumoren in het lichaam van een patiënt.

Die data-intensieve patronen worden vervolgens vergeleken met een enorme bibliotheek van weefsels met een bekende magnetische resonantie "vingerafdruk" die direct kan worden berekend uit natuurkundige simulaties. Met voldoende precisie, een patroonovereenkomst alleen zou kunnen worden gebruikt om colon- of hersenkanker te diagnosticeren, patiënten te sparen van pijnlijke of invasieve diagnostische procedures.

En bij aandoeningen zoals multiple sclerose en epilepsie, de vingerafdrukscans kunnen veranderingen in de hersenen oppikken die onzichtbaar zijn met conventionele methoden, maar die klinisch zinvoller zijn dan de scans die artsen vandaag kunnen zien. Dat zou kunnen helpen om beter te voorspellen hoe de ziekte bij een patiënt zal vorderen of om te bepalen of nieuwe medicijnen effectief zijn in het bestrijden van ziekten waarvoor momenteel geen goede maatstaf voor succes is.

De truc met magnetische resonantie-vingerafdrukken is uitzoeken welke van het exponentieel enorme universum van mogelijke pulssequenties snel en met voldoende nauwkeurigheid scans zal produceren om onderscheid te maken tussen gezond weefsel en verschillende manifestaties van ziekte. Omdat elke reeks bestaat uit vele individuele pulsen die elk per hoek kunnen variëren, intensiteit of duur, het aantal potentiële sequenties voor complexe acquisities is immens - vergelijkbaar met het aantal atomen in het zichtbare universum.

"Dit wordt al snel een probleem met zoveel mogelijkheden die allemaal aan elkaar zijn gekoppeld dat traditionele optimalisatiemethoden echt moeite hebben om het op een realistische manier op te lossen, " zei Griswold. "Er zijn unieke voordelen met de op kwantum geïnspireerde algoritmen waarmee we resultaten kunnen krijgen die we met niets anders hebben kunnen zien."

De pulssequenties die door de optimalisatie-algoritmen van Microsoft zijn gekozen, hebben scans tot drie keer sneller opgeleverd dan de vorige, wat de doorvoer zou verhogen, de kosten verlagen en de toegang tot een potentieel levensreddende diagnose verbeteren, vooral in gebieden met maandenlange wachttijden voor MRI's.

En de ongeveer 30 procent hogere precisie voor T2-metingen, die een belangrijke identificatie van ziekte kan zijn, kan het verschil betekenen tussen het vroegtijdig opsporen van een tumor en het niet zien totdat veelbelovende behandelingsopties beperkt zijn.

"We hebben echt aanzienlijke voordelen kunnen laten zien die veel verder gaan dan alleen het systeem een ​​beetje aanpassen, zei Griswold, die ook dienst doet als faculteitsdirecteur voor Interactieve Commons van Case Western Reserve. "Ik heb het gevoel dat de op kwantum geïnspireerde algoritmen en de kwantumcomputer ons letterlijk de volgende kwantumsprong zullen geven. Je zult die enorme veranderingen nooit in je bedrijf krijgen door dingen op dezelfde oude manier te doen."

Op kwantum geïnspireerde algoritmen ontdekken

In een kwantumcomputer de unieke eigenschappen van qubits, in het bijzonder hun vermogen om tegelijkertijd een waarde van 0 en 1 vast te houden - hen in staat stellen informatie exponentieel sneller te verwerken en mogelijk oplossingen te vinden voor problemen rond klimaatverandering en honger in de wereld die vandaag de dag gewoon niet mogelijk zijn. Maar omdat de kwantumdeeltjes notoir kieskeurig en onstabiel zijn, Microsoft werkt aan de ontwikkeling van betrouwbaardere en schaalbare qubits die een volledig quantum computing-platform kunnen ondersteunen.

Een ander type machine, een kwantumuitgloeier genaamd, gebruikt andere geestverruimende eigenschappen van kwantumdeeltjes om een ​​enkele taak uit te voeren:het oplossen van optimalisatieproblemen met veel gecompliceerde variabelen en beperkingen.

"Terwijl ik met zakelijke klanten praat, deze harde optimalisatieproblemen komen steeds weer terug, " zei Microsoft's Love. "Misschien heb ik een kamer vol met mensen in de financiële dienstverlening, farma, olie en gas, auto, industriële of chemische bedrijven en u zult iedereen horen zeggen:'O mijn God, Ja, Ja, Ik heb deze.'"

Oorspronkelijk waren onderzoekers net aan het onderzoeken hoe quantum-annealers werkten, dus ontwikkelden ze algoritmen om te simuleren wat er binnenin gebeurde. Toevallig, ze besloten om hun klassieke maar op kwantum geïnspireerde algoritmen te testen op een populaire optimalisatietest en ontdekten dat ze andere oplossingen wegbliezen.

"Het was een van die dingen waarbij je denkt dat je een wetenschappelijk project doet over één onderwerp en je ontdekt iets aan de zijkant en realiseert je dat dat veel spannender is, " zei Stephen Jordan, een senior onderzoeker van Microsoft die nu bezig is om op kwantum geïnspireerde algoritmen toe te passen op zakelijke en onderzoeksproblemen in de echte wereld.

"Het zorgde voor veel opschudding onder optimalisatiemensen die zeiden:'Wie zijn deze jongens uit het niets? Het zijn niet eens computerwetenschappers! Het zijn kwantumfysici die deze gekke algoritmen hebben die veel beter zijn, '" hij zei.

Om optimalisatieproblemen op te lossen, computers zoeken naar een oplossing die de minste inspanning of kosten vereist. In sommige gevallen, Hoewel, dat is als een bergbeklimmer die probeert het absoluut laagste punt te vinden in een onbekende, zeer onregelmatig, bergachtig landschap.

Zodra hij of zij een bepaalde vallei bereikt, er is geen manier om te weten of er een lager punt is boven de volgende berg. En om erachter te komen, is een enorme hoeveelheid energie nodig om de volgende steile heuvel op te klimmen. Dus ze kunnen besluiten dat het het niet waard is en daar vast komen te zitten - nooit het laagste punt of een betere oplossing vinden.

Kwantumdeeltjes hebben een unieke eigenschap dat, in dit voorbeeld, stelt hen in staat om gemakkelijk door de berg te tunnelen om te ontdekken wat er aan de andere kant is. Door dit tunnelvermogen na te bootsen, De op kwantum geïnspireerde algoritmen van Microsoft kunnen optimalisatieproblemen op geheel nieuwe manieren oplossen - met behulp van hardware die algemeen verkrijgbaar is.

En wanneer een volwaardige kwantumcomputer, gebouwd op stabiele topologische qubits, beschikbaar komt, dezelfde algoritmes zal nog krachtiger geworden, Said Matthias Troyer, Hoofdonderzoeker van Microsoft in het quantum computing-team.

"Elk van de op kwantum geïnspireerde algoritmen kan verder worden versneld op kwantumhardware. Door ze op klassieke hardware uit te voeren, we krijgen nog niet alle voordelen, "Zei Troyer. "Dit is niet alleen een klassieke eenmalige. Het is volledig op weg naar kwantumcomputing."