量子技術(shù)如何徹底改變疾病的檢測(cè)和治療

當(dāng)你聽到“量子”這個(gè)詞時(shí)，你可能會(huì)想到物理學(xué)家正在研究一種新的突破性理論?；蛟S你已經(jīng)讀過量子計(jì)算機(jī)以及它們?nèi)绾胃淖冞@個(gè)世界。但是一個(gè)鮮為人知的領(lǐng)域也開始收獲量子領(lǐng)域醫(yī)學(xué)的好處。

作為歐盟量子技術(shù)旗艦計(jì)劃的一部分，歐洲正在開發(fā)許多量子技術(shù)來改造各種領(lǐng)域。特別是醫(yī)學(xué)看起來有望獲得，目前正在進(jìn)行幾個(gè)項(xiàng)目，看看我們?nèi)绾文軌蚋菀椎馗纳漆t(yī)學(xué)成像或檢測(cè)某些疾病。

其中一個(gè)項(xiàng)目是macQsimal，它使用稱為量子傳感器的小型設(shè)備來徹底改變幾個(gè)領(lǐng)域 - 量子化原子鐘，陀螺儀，磁力計(jì)，以及更精確的電磁輻射和氣體濃度測(cè)量。該項(xiàng)目于2018年10月開始，希望將他們的想法作為首批量子技術(shù)推向市場(chǎng)。

“我們的目標(biāo)是將產(chǎn)品作為原型投放市場(chǎng)，”來自瑞士電子和微技術(shù)中心(CSEM)的Jacques Haesler博士說道，他是macQsimal的項(xiàng)目協(xié)調(diào)員。“最后，(我們希望)能夠采取進(jìn)一步措施，然后將這些設(shè)備商業(yè)化。但我們還必須考慮下一代量子傳感器，它將使用更多奇特的量子效應(yīng)，如糾纏或狀態(tài)的疊加。 “

量子傳感器

量子傳感器本質(zhì)上是一個(gè)非常小的設(shè)備，可能是糖立方體的大小，可以使用量子世界的已知奇怪性進(jìn)行非常精確的測(cè)量。在這里，粒子作為一個(gè)遠(yuǎn)距離連接，稱為糾纏，或甚至一次出現(xiàn)在兩個(gè)地方，稱為疊加。

這在腦成像等方面尤其有用。目前，腦磁圖(MEG)掃描儀依賴于必須通過液氮或液氦冷卻的龐大設(shè)備。結(jié)果，機(jī)器不僅很大，而且它們不能靠近人的頭骨來測(cè)量大腦活動(dòng) - 而是在傳感器的幫助下從遠(yuǎn)處進(jìn)行測(cè)量。

“我們的目標(biāo)是用一種頭盔替換這些儀器，你可以將所有傳感器放在頭骨上，這樣你就可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，”Haesler博士說。“然后你可以用數(shù)百個(gè)傳感器制作一個(gè)頭盔。那么你就可以在顱骨上數(shù)百個(gè)不同的點(diǎn)上測(cè)量磁場(chǎng)的來源。”

macQsimal項(xiàng)目希望證明這可以使用它正在開發(fā)的磁力計(jì)。通過大幅縮小設(shè)備的尺寸，可以更容易地檢測(cè)人腦中的疾病。希望在五年內(nèi)，他們正在開發(fā)的技術(shù)可以在商業(yè)上使用。

還有其他好處，例如心臟成像 - 拍攝心臟圖像以檢查疾病 - 這些可以從這些更小和更準(zhǔn)確的傳感器中獲益，以及藥物發(fā)現(xiàn) - 尋找新藥來解決某些疾病。“很可能在醫(yī)療領(lǐng)域有更多的應(yīng)用，”Haesler博士補(bǔ)充道。

通過研究一種稱為超極化的量子技術(shù)，其他研究人員希望了解MRI掃描儀是否可以比現(xiàn)在更敏感和準(zhǔn)確。這是一個(gè)名為MetaboliQS項(xiàng)目的項(xiàng)目的目標(biāo)，該項(xiàng)目也始于2018年10月。

“我們基本上試圖使MRI可能更敏感10,000倍，”項(xiàng)目協(xié)調(diào)員德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用固態(tài)物理研究所的Christoph Nebel博士說。“使用注入的生物分子的超極化，這些分子被調(diào)整為在某些組織中累積。如果它們累積，MRI可以更容易地檢測(cè)到正在發(fā)生的事情。”

超極化MRI涉及通過觀察細(xì)胞和分子的微小物理來拍攝圖像，以查看我們體內(nèi)正在發(fā)生的事情。這是通過使用選擇性生物標(biāo)志物分子來完成的，目前需要將其冷卻至-270°C然后升溫至體溫。這個(gè)過程不僅需要很長(zhǎng)時(shí)間 - 至少30分鐘 - 而且成本也非常高。

但是使用由鉆石制成的量子傳感器，MetaboliQS團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們可以在溫和冷卻或室溫下完成整個(gè)過程，根本不需要冷卻。這可以使MRI機(jī)器更容易地觀察體內(nèi)對(duì)時(shí)間敏感的影響，例如癌組織，并且還可以拍攝更詳細(xì)的圖像。

“當(dāng)您改善圖像時(shí)，您會(huì)看到更多細(xì)節(jié)，您可以區(qū)分早期疾病或晚期疾病或死亡組織，”Nebel博士說。“擁有更好的圖像意味著你可以更好地理解你的醫(yī)學(xué)知識(shí)。”

這也可以為MRI掃描儀開辟新的途徑，例如對(duì)植入物的研究或了解疾病在人體中的發(fā)展。如果成功，MRI成像可能是早在2020年受益于量子技術(shù)的第一批健康領(lǐng)域之一。“超極化絕對(duì)可能是量子技術(shù)的第一個(gè)真實(shí)(醫(yī)學(xué))應(yīng)用，”Nebel博士說。

健康狀況

如果這些項(xiàng)目取得成功，他們可以解決的條件范圍很廣。Haesler博士指出，在更準(zhǔn)確的MRI掃描儀的幫助下，癡呆癥和阿爾茨海默氏癥都可以更容易地被診斷出來。并且心臟和大腦成像將受益，允許以更精細(xì)的細(xì)節(jié)看到其他問題。

“通過我們目前正在開發(fā)的這些量子傳感器，你可以很好地發(fā)現(xiàn)新的神經(jīng)元活動(dòng)，”Nebel博士說。“我們基本上可以研究非常小的分子，生物系統(tǒng)。這基本上是納米級(jí)的MRI。”

接下來的步驟將是將這些產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并證明它們可以商業(yè)化。在歐盟量子旗艦計(jì)劃的幫助下，希望像這樣的技術(shù)可以成為一個(gè)對(duì)我們生活產(chǎn)生直接影響的激動(dòng)人心的新量子時(shí)代的開始。

而這不僅僅是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)。該計(jì)劃還在研究如何開發(fā)更好的原子鐘和其他設(shè)備，以改善我們?nèi)绾问褂梦覀兊囊苿?dòng)電話網(wǎng)絡(luò)。但是醫(yī)療應(yīng)用可能會(huì)首先出現(xiàn)，對(duì)我們的健康至關(guān)重要。

“在五年內(nèi)，我們認(rèn)為原子鐘和磁力計(jì)應(yīng)該進(jìn)入市場(chǎng)，”Haesler博士說。“我們還在開發(fā)第二代傳感器，它們更靈敏，可能會(huì)在15到20年內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)。”