#QuantumComputing #Healthcare #Technology #Research
Gặp dịch vụ y tế tương lai – Máy tính lượng tử trong ngành y tế
Máy tính lượng tử đang dần trở thành một công cụ quan trọng trong ngành y tế. Điều này đã tạo ra sự quan tâm lớn về cách công nghệ mới này được sử dụng trong lĩnh vực y tế và những lợi ích tiềm năng mà nó mang lại. Nhưng thực sự, máy tính lượng tử là gì và làm thế nào nó khác biệt so với máy tính truyền thống?
Máy tính truyền thống hoạt động dựa trên nguyên tắc xác định. Tức là, các con số 1 và 0, hay bit, tương ứng với các kết quả cụ thể. Trái lại, máy tính lượng tử hoạt động dựa trên nguyên tắc xác suất. “Mỗi đơn vị tính toán, hoặc qubit, có xác suất liên tục nằm giữa 0 và 1,” theo Jehi. “Do đó, nó có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn so với máy tính cổ điển, và có thể xử lý tính toán nhanh hơn vì nó có thể thực hiện song song thay vì tuần tự. Chúng hoàn toàn khác nhau.” Theo Amazon Web Services, máy tính lượng tử hoạt động dựa trên các nguyên tắc lượng tử bao gồm:
1. Superposition: Khái niệm này có thể được mô tả bằng sóng. Nếu hai lần sóng được tạo ra cạnh nhau trên mặt nước, chúng sẽ trùng nhau và tạo ra một mẫu hoàn toàn mới. Áp dụng vào máy tính lượng tử, nếu bạn kết hợp hai trạng thái lượng tử, chúng sẽ tạo ra một trạng thái hoàn toàn mới và, ngược lại, mỗi trạng thái lượng tử có thể được biểu diễn như sự kết hợp của hai hoặc nhiều trạng thái khác nhau, theo AWS. Nguyên tắc này nằm ở bản chất của máy tính lượng tử và cho phép công nghệ này xử lý một số lượng lớn và phức tạp các hoạt động song song cùng một lúc.
2. Entanglement: Theo AWS, “ràng buộc lượng tử xảy ra khi hai hệ thống liên kết chặt đến mức hiểu biết về một hệ thống cho bạn hiểu biết ngay lập tức về hệ thống kia, bất kể chúng có cách xa nhau đến đâu.” Khái niệm này cho phép máy tính lượng tử giải quyết nhanh chóng các vấn đề phức tạp bằng cách rút ra kết luận dựa trên hành vi của một qubit liên quan đến qubit khác.
3. Decoherence: Được định nghĩa là “mất thông tin từ một hệ thống vào môi trường,” decoherence là một thách thức đối với máy tính lượng tử và phải được xem xét khi thiết kế hệ thống hỗ trợ máy tính lượng tử. Theo Jehi, máy tính lượng tử có nhiều điểm tương đồng hơn với các khoa học sinh học học và y sinh học hơn so với máy tính cổ điển. “Về bản chất, đó là một cách suy nghĩ về máy tính tự nhiên hơn. Trong y học, chúng tôi đã cố gắng ép buộc tự nhiên và cơ thể con người vào một mô phạm đen trắng, trong khi tự nhiên và cơ thể con người là những thứ liên tục,” cô nói. “Máy tính cổ điển là đen trắng. Đó là 1 hoặc 0. Vì vậy, lý thuyết, việc sử dụng một hệ thống tính toán phản ánh sự liên tục của tự nhiên và cơ thể con người là có lợi khi nghiên cứu tự nhiên và cơ thể con người.”
Ví dụ về sự ứng dụng của máy tính lượng tử trong lĩnh vực y tế là Cleveland Clinic đã chọn làm việc với IBM trong dự án máy tính lượng tử của mình vì quan điểm dài hạn của IBM về công nghệ đột phá và biến đổi. Đối tác này cung cấp cho Cleveland Clinic quyền truy cập vào khoa học dữ liệu của IBM, kỹ sư và nhà nghiên cứu, cho phép các nhóm của họ làm việc với toàn bộ phạm vi tính toán của IBM, bao gồm tính toán hiệu suất cao, trí tuệ nhân tạo, học máy và máy tính lượng tử. Một phần quan trọng của đối tác này là việc cài đặt một máy tính lượng tử tại khuôn viên Cleveland Clinic. Theo Jehi, đó là nơi duy nhất trên thế giới có một máy tính lượng tử hoàn toàn dành riêng cho lĩnh vực y tế và sinh học. “Điều đó cho phép chúng tôi linh hoạt đặt câu hỏi, chấp nhận rủi ro và đòi hỏi sự quyết đoán hơn trong việc tìm hiểu công nghệ này,” cô nói, nhấn mạnh rằng Cleveland Clinic không áp dụng công nghệ này vì lợi ích của riêng mình, mà là vì nó nhìn thấy đó là công nghệ của tương lai. “Chúng tôi rất quan tâm đến việc xây dựng nhóm đối tác trên toàn bộ hệ thống chăm sóc sức khỏe, giáo dục và nghiên cứu sinh y học có quan tâm đến hợp tác với chúng tôi và cùng nhau tìm hiểu ý nghĩa của lượng tử đối với y tế,” cô nói.
Nguồn: https://techtoday.co/how-is-quantum-computing-being-used-in-healthcare/
How Does Quantum Computing Compare with Traditional Computing?
Traditional computing is based on deterministic computing. In essence, the 1’s and 0’s, or bits, translate to specific outputs. Quantum computing is based on probabilistic computing.
“Each unit of computation, or qubit, has a continuous probability of being between 0 and 1,” says Jehi. “So, it can store a lot more information compared with a classical computer, and it can process computation much faster because it can do it in parallel rather than sequentially. They are fundamentally different.”
According to Amazon Web Services, quantum computing operates using quantum principles. Those include:
- Superposition: This concept can be visualized using waves. If two ripples are created next to each other in the water, they will overlap and create an entirely new pattern. Applied to quantum computing, if you combine two quantum states, they will create an entirely new state and, inversely, each quantum state can be represented as the combination of two or more states, according to AWS. This principle is at the core of quantum computing and enables the technology to process a large and complex number of operations in parallel at the same time.
- Entanglement: According to AWS, “quantum entanglement occurs when two systems link so closely that knowledge about one gives you immediate knowledge about the other, no matter how far apart they are.” This concept enables quantum computers to quickly solve complex problems by drawing conclusions based on the behavior of one qubit in relation to another.
- Decoherence: Defined as “the loss of information from a system into the environment,” decoherence is a challenge for quantum computing and must be considered when designing the system that supports the quantum computer.
According to Jehi, quantum computing is much more aligned with biological sciences than with classical computing.
“In its essence, it’s a much more naturalistic way of thinking about computing. In medicine, we have been trying to force nature and the human body into a black and white paradigm, whereas nature and the human body are continuous things,” she says. “Classical computing is black and white. It’s a 1 or a 0. So, in principle, it’s beneficial when studying nature and the human body to use a computation system that mirrors its continuity.”
DISCOVER: Follow these three steps to deploy high-performance computing successfully.
Enabling Medical Research and Precision Medicine with Quantum Computing
Cleveland Clinic chose to work with IBM on its quantum computing initiative due to its long-term perspective on disruptive and transformative technology. The partnership gives Cleveland Clinic access to IBM’s data sciences, engineers and researchers, allowing their teams to work with IBM’s full spectrum of computation, including high-performance computing, artificial intelligence, machine learning and quantum computing.
The partnership also involved the installation of a quantum computer on the Cleveland Clinic campus. According to Jehi, it’s the only place in the world that has a quantum computer fully dedicated to healthcare and life sciences.
“That gives us the flexibility to ask questions, take risks and be more aggressive in figuring out this technology,” she says, adding that quantum computing is pushing Cleveland Clinic to think about research questions differently.
The organization made a huge investment to obtain the quantum computer, but Jehi emphasizes that Cleveland Clinic is not adopting the technology for its own benefit, but because it sees it as the technology of the future.
“We are very interested in building teams across the spectrum of healthcare, academia and biomedical research that would be interested in partnering with us and collaborating with the focus of figuring out what quantum means for healthcare,” she says.
The health system’s main goal for the technology is to accelerate how it approaches biomedical discovery. Since announcing the Discovery Accelerator in 2021 and embarking on the 10-year partnership with IBM, Jehi says the organization has identified three pillars of quantum computing.
EXPLORE: High-performance computing helps to break the genomics bottleneck.
The first is quantum simulations, which is quantum research that transforms a chemical formula into a 3D structure. Quantum simulations are important in fields such as drug discovery, therapeutics and immunotherapy, Jehi explains. They enable the simulation of structures that have been impossible to simulate with today’s tools.
The second pillar is quantum machine learning, which encompasses the computing that AI is not yet able to handle, whether due to models not getting past a certain threshold of accuracy or because it’s too expensive.
“The models require too much data for their input,” says Jehi. “Could quantum machine learning simply the extent of inputs that need to go into a model to get better predictions?”
The third pillar is quantum optimization, in which quantum computing can optimize processes such as supply chains and the design of clinical trials.
“What they have in common is the ability to use quantum computing for problems that are impossible to solve with classical computing,” says Jehi.
The Technology That Supports Quantum Computing
Jehi notes that it’s not possible to adopt quantum computing without having a robust infrastructure in place.
“Quantum is tomorrow. You cannot jump there without first being in the present, and that includes AI and high-performance computing. That is the foundation that we built upon,” she says.
Having a foundation of high-performance computing and AI means that healthcare organizations also need to have robust hybrid cloud infrastructures. In addition, the organization needs the talent and a workforce with the skills to operate such complex computing. Jehi says Cleveland Clinic did a lot of education for its existing computation teams and informatics groups.
“A big chunk of the effort went into workforce development and upscaling,” she adds.
The Challenge of Quantum Computing and Cybersecurity
While quantum computing has the potential to greatly benefit research across industries, it presents a security challenge as well. Security experts anticipate that, eventually, quantum computers will be so effective that they will be able to break current encryption, leading to an alarming rise in cyberattacks.
To combat this, Congress passed HR 7535, the Quantum Computing Cybersecurity Preparedness Act, which requires that executive agencies maintain an inventory of all IT in use by the organization that is vulnerable to decryption by quantum computers. The law requires the Office of Management and Budget to develop a plan for migrating agency IT to post-quantum cryptography, which is encryption strong enough to resist a cyberattack from an advanced quantum computer.
This is an issue healthcare organizations will need to be prepared for as well, as the industry is a major target for cyberattackers.
The Future of Quantum Computing in Healthcare
While the possibilities of quantum computing in medicine and life sciences are endless, currently, industry is just scratching the surface of how the technology can be applied in medicine.
“Theoretically, in the future, quantum computing can be applied to deliver services to the patients who need them the most, when they need them the most. It can be used to prioritize different interventions,” says Jehi. “Now, health systems struggle with supply chain disruption or services that are not equally available to all their patients. Quantum computing has the promise of helping with that.”
Eventually, quantum computing can be used to gain additional insights from medical images and perhaps to diagnose diseases like cancer earlier, when they’re less of a danger to a patient, using a simple blood test.
However, Jehi explains that the technology itself needs to improve before healthcare researchers can begin to ask the questions that really matter.
“Take drug discovery, for example. Right now, we can simulate certain sizes of molecules with quantum that we cannot with AI. But to get a transformative effect, where we are discovering things that have immediate clinical translation, we are not there yet,” she says, adding that achieving that requires more research.
Jehi points out that to advance healthcare research, the field needs more qubits, better error mitigation and more predictable computation.
