量子计算如何影响医疗保健行业？

技术，从晶体管的发明，到第一台计算机处理器，都对我们的生活方式产生了重大影响，医疗保健也不例外。

随着我们朝着更加专注、个性化的健康服务迈进，并利用基因组的力量，医疗系统提供商必须专注于开发能够处理海量数据的系统，使医疗专业人员能够做出准确的诊断并做出明智的、与健康相关的决策。

“正如 19 世纪被称为机器时代，20 世纪被称为信息时代一样，21 世纪有望作为量子时代载入史册。”

什么是量子计算？

我们今天使用的计算机顺序处理信息，单个信息“位”是 0 或 1。这是硅芯片原子结构中数百万个微小晶体管持有的正电荷或零电荷。计算机通过将这些晶体管从 1 切换到 0 并反之亦然来执行计算和记忆。然而，在量子世界中，相同的信息处理方式大不相同。为了尝试解释，让我们用概率来思考，使用家用调光器开关来可视化所涉及的概率。如果您想象一个经典的电灯开关，它可以是开启或关闭，这就是每个硅晶体管的工作方式，只有 2 种选择。然后，如果您想到“量子比特”（位数的量子等价物），它就像一个永久旋转的调光器开关，具有量子比特在任何给定时间可能处于的状态范围，它可以是开启、关闭以及介于两者之间的任何状态。量子理论的一个怪癖是，量子比特或旋转电子，或者我们的调光器开关的状态，在我们观察它之前是未确定的，而观察它总是会改变其状态。这一切意味着量子晶体管可以保持大量的概率值，反过来，这意味着它可以执行更多的任务并存储更多的信息，使其比传统处理器强大得多。量子比特同时是“1”和“0”的能力被称为叠加。计算机科学家构建可以利用这种状态的算法，以有效地利用叠加的力量。如果这一切都很难理解，您并不孤单。顶尖的科学头脑也在努力理解这些概念，特别是因为量子理论的许多部分仍然只是理论。

量子计算如何利用叠加？

更进一步，如果我们把电子看作一个波，这个电子波的叠加是它同时存在于两种可能状态的能力。电子天生就具有向上或向下旋转的能力。想象一下将电子的自旋推入叠加状态，使其同时向上和向下旋转，根据量子世界的观察规则，当我们测量它时，它会将其叠加坍缩为向上或向下旋转。这种自然现象允许量子比特同时用量子信息编码两种状态。这种计算和从众多潜在的替代解决方案中选择解决方案的能力，意味着量子比特可以使用叠加同时成为所有这些选项，并且所需时间比经典计算机少几个数量级。

量子计算在医疗保健行业的应用

放射治疗

放射治疗是当今癌症治疗的主要技术之一。靶向辐射用于破坏癌细胞并阻止其再生。它需要高度精确地施加辐射，以最大限度地减少对周围细胞的损害。开发“放射治疗计划”是一个复杂的过程，涉及处理数千个变量以得出最佳治疗计划。经典计算机今天通过使用有限的数据点来完成这项工作，以便在临床上可行的时限内生成计划。然而，受量子启发的算法将允许医疗系统同时运行所有可能的排列，使用更多的数据点并更快地制定最佳计划。

加速药物开发和材料科学

随着药物开发需要漫长而昂贵的临床试验，科学家和制药公司正在尝试使用替代方法来加速这一过程并使其更具成本效益，同时确保安全性和有效性。人工智能、人体器官芯片和“计算机临床试验”都经过了测试。量子计算在这里可能会带来变革。

当今最强大的超级计算机只能模拟最简单的分子，其计算能力仅限于少量存在的化合物。对于更复杂的分子，研究人员目前预测其行为，然后必须在试验中测试其行为。这既昂贵又效率低下，大多数药物在此阶段都会在试验中失败。

将来，我们可以在量子计算机上运行算法和搜索，这些量子计算机能够以难以想象的速度在分子水平上审查药物，并以快速的时间范围运行药物试验，测试所有可能的化合物与细胞模型。这将彻底改变药物发现，使癌症和阿尔茨海默病等疾病的激进新疗法成为可能。

诊断

人工智能

将机器学习应用于患者诊断的趋势日益增长。机器学习很大程度上是关于“模式识别”，算法通过分析大量患者数据来寻找噪声中的模式，目标是利用比较来得出诊断。量子计算有望为我们的医疗系统带来我们迄今为止只能梦想的处理能力，使医生能够以无限的排列并行比较海量复杂的 data。

基因组医学

使用量子计算机，我们可以更快地对 DNA 进行测序并解决医疗保健中的其他大数据问题。这为基于个体独特基因组成的个性化医疗提供了可能性。

蛋白质折叠

蛋白质是生命的基本构成单元。给定蛋白质的功能失调通常是由于其折叠错误。虽然蛋白质的化学成分相当为人所知，但它们的物理结构却鲜为人知。获得有关蛋白质折叠方式的更详细知识可以开发新的疗法和药物。

理论上，量子计算机将能够同时测试大量可能的蛋白质折叠结构，并确定最有前景的结构。

以患者为中心的护理

很快我们将看到健康传感器、可穿戴设备和微型医疗设备的应用，这些设备将收集关于患者的大量数据，并存储在基于云的数据湖中。仅作比较：2020 年收集的数字数据量大约是 2013 年的 10 倍。考虑到需要处理的数据量以及理解这些数据集所需的变量数量，量子计算将在通过连接的传感系统进行的患者监测中发挥关键作用。这项革命性技术将使我们从响应式医疗保健系统转向预测性医疗保健系统。

如果我不指出这些应用仍处于起步阶段且很大程度上是理论性的，那将是我的疏忽。然而，有一个眼科应用程序可以演示在患者保持当前生活方式的情况下，他们的视力在 5 年内会因白内障而发生怎样的变化。通过推断这个想法并应用量子计算的原理，考虑到大量的健康参数、遗传信息、感官数据和其他个人健康信息，可以轻松地生成关于特定个人未来健康的准确预测，为未来的健康提供见解和建议。

历史

• 2021 年 4 月 27^日：初始版本