Hoy dia, alguien con cáncer de mama puede someterse a varias rondas de quimioterapia y pasar meses en el limbo antes de que las exploraciones médicas puedan mostrar si ese cóctel particular de medicamentos tóxicos está reduciendo el tumor.

Los investigadores de la Universidad Case Western Reserve están trabajando para cambiar eso. Han sido pioneros en un nuevo enfoque llamado Toma de huellas dactilares por resonancia magnética, que utiliza técnicas de exploración más sensibles que esperan que puedan detectar si los tratamientos están funcionando después de una sola dosis de quimioterapia.

"Creemos que podemos empezar a ver esos cambios en una semana, en comparación con seis meses, "dijo Mark Griswold, Profesor de radiología de Case Western Reserve y director de investigación de resonancia magnética. "Eso es realmente importante tanto para los resultados del paciente como para la calidad de vida, porque si tu quimioterapia no funciona, envenenaste tu cuerpo por nada ".

El nuevo método tiene una promesa increíble, pero diseñar las exploraciones para diagnosticar enfermedades de forma rápida y precisa es un problema computacional enormemente desafiante que requiere enfoques innovadores. Ahora, los investigadores de Case Western Reserve han encontrado una solución a ese problema, y ​​han visto mejoras dramáticas, utilizando algoritmos desarrollados por el equipo de computación cuántica de Microsoft.

Los algoritmos "inspirados en el cuántico" de Microsoft, diseñado para aprovechar las futuras computadoras cuánticas, tomar prestado de los principios de la física cuántica para resolver problemas computacionales extremadamente difíciles. Pero también pueden ejecutarse en computadoras clásicas que están ampliamente disponibles en la actualidad.

Permitieron al equipo de Case Western Reserve producir escaneos que son hasta tres veces más rápidos que los enfoques de última generación anteriores. así como exploraciones que son casi un 30 por ciento más precisas para medir un identificador clave de enfermedad.

Esos avances podrían ayudar a los médicos a detectar el cáncer y otras enfermedades antes, desarrollar nuevos medicamentos para afecciones en las que el progreso es difícil de medir en la actualidad o utilizar imágenes para diagnosticar cánceres en lugar de depender de procedimientos invasivos como biopsias.

Los algoritmos de inspiración cuántica de Microsoft son particularmente útiles para problemas de optimización, que implican examinar una gran cantidad de posibilidades para encontrar una solución óptima o eficiente, que son tan complejos y requieren tanta potencia informática que las tecnologías actuales luchan por resolverlos.

Los ejemplos típicos pueden incluir garantizar que el tráfico fluya sin problemas en toda un área metropolitana, asignar espacio en la puerta y la pista en un aeropuerto internacional concurrido o determinar cómo secuenciar mejor los complicados procesos de fabricación en muchos equipos diferentes.

Además de mejorar el trabajo de Case Western Reserve para detectar de manera más rápida y confiable el cáncer y otras enfermedades, El equipo cuántico de Microsoft también se está asociando con la Autoridad de Agua y Electricidad de Dubai, que utiliza algoritmos de inspiración cuántica para descubrir cómo equilibrar idealmente los recursos de diferentes fuentes de energía en toda su red eléctrica.

Willis Towers Watson, una asesoría global, empresa de corretaje y soluciones, también está explorando cómo los algoritmos de inspiración cuántica de Microsoft podrían mejorar los complejos modelos matemáticos que la empresa utiliza para cuantificar el riesgo e informar las estrategias de inversión.

Los investigadores de Microsoft desarrollaron los algoritmos como parte de un esfuerzo mayor para crear la computadora cuántica más estable y escalable de la industria utilizando partículas de información cuántica llamadas qubits topológicos. Una vez construido, los investigadores dicen que la plataforma de computación cuántica podría permitir a los científicos hacer cálculos en minutos que llevarían miles de millones de años a las computadoras actuales.

Los algoritmos de inspiración cuántica simulan cómo funcionan esos sistemas, pero se pueden ejecutar en computadoras existentes. A medida que avanza el desarrollo de una computadora cuántica de propósito general, Las empresas de hoy pueden unirse a Microsoft Quantum Network para acceder a nuevos servicios inspirados en la tecnología cuántica que funcionan con Microsoft Azure y hardware informático clásico como unidades centrales de procesamiento (CPU). unidades de procesamiento de gráficos (GPU) y arreglos de puertas programables en campo (FPGA).

"Resulta que el pensamiento cuántico y las lecciones que hemos aprendido de la programación de la computadora nos han llevado a un gran avance que podemos ejecutar hoy de forma clásica, "dijo Julie Love, Director de desarrollo empresarial cuántico de Microsoft.

Eso permite que el equipo de Microsoft desarrolle y acelere las soluciones para los clientes en el sector de la salud. gestión financiera, industrias de petróleo y gas y automotriz, ella dijo.

"Se acerca hardware más potente, pero estos avances cuánticos están sucediendo ahora, "Dijo el amor.

'Resultados que simplemente no hemos podido ver con nada más'

Como cualquier padre sabe, es posible poner la mano en la frente de un niño y tener una idea útil de si podría tener fiebre.

Pero sin termómetro para medir la temperatura, es más difícil tomar una decisión informada sobre qué hacer:si esperar y ver, tratar con medicamentos o ir al hospital.

La toma de huellas dactilares por resonancia magnética es una técnica que proporciona a los médicos que interpretan una resonancia magnética el mismo grado de precisión cuantitativa en una variedad de propiedades de los tejidos. en lugar de confiar en la experiencia para decidir subjetivamente si el brillo o el color de un área en particular indica que el tejido está enfermo o sano. Actualmente se utiliza en una docena de centros médicos académicos, y se espera una adopción más generalizada en los próximos años, dijeron los investigadores.

"Millones y millones de personas se salvaron o mejoraron sus vidas gracias a la resonancia magnética, pero en gran parte lo que hemos hecho hasta ahora es el equivalente a poner nuestra mano sobre la cabeza de alguien, ", dijo Griswold." El gran cambio que permite la toma de huellas dactilares es que podemos obtener los números, como una lectura de temperatura, que te permiten hacer un diagnóstico directamente ".

Huella digital por resonancia magnética, que se ha demostrado que supera a los protocolos cuantitativos de resonancia magnética comparables por un factor de 1.8, produce mediciones numéricas de las propiedades del tejido para todos y cada uno de los píxeles de una imagen. Lo logra mediante el uso de secuencias de pulsos mucho más intrincadas:ondas de radio inofensivas que se combinan con campos magnéticos para generar señales distintivas de diferentes tipos de grasa, tejido o tumores dentro del cuerpo de un paciente.

A continuación, esos patrones de uso intensivo de datos se comparan con una amplia biblioteca de tejidos con una "huella digital" de resonancia magnética conocida que se puede calcular directamente a partir de simulaciones físicas. Con suficiente precisión, una coincidencia de patrones sola podría usarse para diagnosticar cáncer de colon o de cerebro, salvar a los pacientes de procedimientos de diagnóstico dolorosos o invasivos.

Y en condiciones como la esclerosis múltiple y la epilepsia, Los escáneres de huellas dactilares pueden detectar cambios en el cerebro que son invisibles con los métodos convencionales, pero que son más significativos desde el punto de vista clínico que los que los médicos pueden ver en la actualidad. Eso podría ayudar a predecir mejor cómo progresará la enfermedad en un paciente o determinar si los nuevos medicamentos son efectivos para combatir enfermedades para las que actualmente no hay una buena medida de éxito.

El truco de la toma de huellas dactilares por resonancia magnética es averiguar cuál, del vasto universo exponencial de posibles secuencias de pulsos, producirá exploraciones rápidamente y con suficiente precisión para distinguir entre tejido sano y diferentes manifestaciones de la enfermedad. Debido a que cada secuencia se compone de muchos pulsos individuales que pueden variar según el ángulo, intensidad o duración, el número de secuencias potenciales para adquisiciones complejas es inmenso, rivalizando con el número de átomos en el universo visible.

"Muy rápidamente, esto se convierte en un problema con tantas posibilidades que están todas acopladas entre sí que los métodos de optimización tradicionales realmente luchan por resolverlo de una manera realista, ", Dijo Griswold." Hay ventajas únicas con los algoritmos de inspiración cuántica que nos permiten obtener resultados que simplemente no hemos podido ver con ninguna otra cosa ".

Las secuencias de pulsos seleccionadas por los algoritmos de optimización de Microsoft han proporcionado escaneos hasta tres veces más rápidos que los anteriores, lo que aumentaría el rendimiento. Reducir los costos y mejorar el acceso a un diagnóstico que puede salvar vidas. particularmente en áreas que tienen esperas de meses para resonancias magnéticas.

Y el aumento de aproximadamente un 30 por ciento en la precisión de las mediciones de T2, que puede ser un identificador importante de enfermedades, podría significar la diferencia entre detectar un tumor temprano y no verlo hasta que las opciones de tratamiento prometedoras sean limitadas.

"Hemos podido mostrar ganancias realmente significativas que van mucho más allá de ajustar un poco el sistema, "dijo Griswold, quien también se desempeña como director de la facultad de Interactive Commons de Case Western Reserve. "Siento que los algoritmos de inspiración cuántica y la computadora cuántica literalmente nos darán el próximo salto cuántico. Nunca obtendrás esos cambios masivos en tu negocio haciendo las cosas de la misma manera".

Descubriendo algoritmos de inspiración cuántica

En una computadora cuántica, las propiedades únicas de los qubits, en particular, su capacidad para mantener un valor de 0 y 1 al mismo tiempo, les permite procesar información exponencialmente más rápido y potencialmente encontrar soluciones a los problemas relacionados con el cambio climático y el hambre en el mundo que simplemente no son posibles en la actualidad. Pero debido a que las partículas cuánticas son notoriamente quisquillosas e inestables, Microsoft está trabajando para desarrollar qubits más confiables y escalables que puedan admitir una plataforma de computación cuántica completa.

Un tipo diferente de máquina, llamado recocido cuántico, utiliza otras propiedades alucinantes de las partículas cuánticas para realizar una sola tarea:resolver problemas de optimización con muchas variables y restricciones complicadas.

"Mientras hablo con clientes empresariales, estos difíciles problemas de optimización surgen una y otra vez, ", dijo Microsoft's Love." Puede que tenga una sala llena de gente en servicios financieros, farmacéutica petróleo y gas, automotor, industriales o empresas químicas y escuchará a todos decir, 'Ay Dios mío, sí, sí, Tengo estos.'"

Originalmente, los investigadores solo estaban investigando cómo funcionaban los atemperadores cuánticos, así que desarrollaron algoritmos para simular lo que sucedía en el interior. Por casualidad, decidieron probar sus algoritmos clásicos pero de inspiración cuántica en una prueba de optimización popular y descubrieron que habían echado a perder otras soluciones.

"Fue una de esas cosas en las que crees que estás haciendo un proyecto científico sobre un tema y descubres algo a un lado y te das cuenta de que es mucho más emocionante, "dijo Stephen Jordan, un investigador senior de Microsoft que ahora está trabajando para aplicar algoritmos inspirados en la tecnología cuántica a problemas de investigación y negocios del mundo real.

"Causó un gran revuelo entre las personas de optimización que decían:'¿Quiénes son estos tipos de la nada? ¡Ni siquiera son científicos de la computación! Son físicos cuánticos que tienen estos algoritmos extravagantes que son mucho mejores, '" él dijo.

Para resolver problemas de optimización, las computadoras buscan una solución que requiera la menor cantidad de esfuerzo o costo. En algunos casos, aunque, eso es como un alpinista que está tratando de encontrar el punto más bajo absoluto en un desconocido, muy irregular, paisaje montañoso.

Una vez que llega a un valle en particular, no hay forma de saber si hay un punto más bajo sobre la siguiente montaña. Y descubrirlo requiere una gran cantidad de energía para escalar la siguiente colina empinada. Por lo tanto, pueden decidir que no vale la pena y quedarse atascados allí, sin encontrar nunca el punto más bajo o la mejor solución.

Las partículas cuánticas tienen una propiedad única que, en este ejemplo, les permite atravesar fácilmente la montaña para descubrir lo que hay al otro lado. Al imitar esta habilidad de tunelización, Los algoritmos de inspiración cuántica de Microsoft pueden resolver problemas de optimización de formas completamente nuevas, utilizando hardware que está ampliamente disponible.

Y cuando esté disponible una computadora cuántica en toda regla construida sobre qubits topológicos estables, los mismos algoritmos serán aún más poderosos, dijo Matthias Troyer, Investigador principal de Microsoft en el equipo de computación cuántica.

"Cualquiera de los algoritmos de inspiración cuántica se puede acelerar aún más en hardware cuántico. Al ejecutarlos en hardware clásico, todavía no obtenemos todas las ventajas, "Troyer dijo." Esto no es solo una clásica excepción. Está completamente en camino a la computación cuántica ".