Квантовые вычисления будут применяться при создании новых медицинских препаратов

В рамках III Международного молодежного ядерного форума «Obninsk NEW» Росатом организовал научно-практический семинар по квантовым вычислениям. Основной темой стали перспективы применения этой технологии в атомной отрасли. В частности – на предприятиях, деятельность которых связана с исследованиями в области ядерной физики и энергетики, а также выпуском радиофармпрепаратов, сообщается пресс-службой ГК «Росатом».

Специалисты Физико-энергетический института имени А. И. Лейпунского и Научно-исследовательского физико-химического института им. Л. Я. Карпова – профильных научных центров атомной отрасли – совместно с ведущими учеными квантового проекта начали проектирование решений на базе передовых технологий будущего. Одним из ключевых направлений работ станет разработка нового поколения радиофармацевтических препаратов. Ученые подчеркивают, что квантовые компьютеры позволят с беспрецедентной точностью моделировать поведение этих препаратов в организме человека, рассчитывать их эффективность и оптимальные дозировки.

Существенный потенциал квантовых вычислений отмечен в области моделирования физических и химических процессов в промышленности. Это позволит ускорить и повысить точность расчетов критически важных характеристик, таких как параметры химических реакций или дозы излучения, получаемой конкретными органами.
Квантовые технологии найдут применение и в анализе медицинских данных. Ученые рассматривают возможность интеграции квантовых вычислений с машинным обучением для классификации медицинских изображений (рентген, МРТ, КТ) и других данных с целью раннего и точного выявления патологий, включая онкологию. Кроме того, квантовые алгоритмы могут революционизировать дизайн лекарств, моделируя сложные молекулярные структуры.

Изучение возможностей внедрения квантовых технологий – одна из важнейших задач. Ученые научных организаций Росатома уже формулируют первоочередные, ранее не решаемые из-за вычислительных ограничений задачи, которые можно пробовать решить с использованием существующих квантовых систем и алгоритмов. Яркий пример — использование квантового моделирования для изучения сложных процессов в ядерной физике, исследуемых сейчас только экспериментально.

Директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы квантовых информационных технологий РКЦ Алексей Федоров рассказал об успешном опыте российских ученых в решении задач по анализу молекул с заданными свойствами. Постановка задачи состоит в том, чтобы на основе некоторой начальной выборки молекул с уже изученными свойствами найти новые молекулы с близкими к исходной выборке параметрами. Это полезно для поиска новых молекул с лекарственными свойствами. Также ученый представил пример уже успешно реализованного применения квантового алгоритма для решения медицинских задач.

«Обучая алгоритм генеративного машинного обучения на квантовом компьютере, мы искали новые молекулы с потенциальными лекарственными свойствами. Мы специальным образом кодировали молекулы, давали алгоритму несколько примеров соединений, которые уже являются лекарствами с теми свойствами, которые нас устраивают, и просили найти схожие с ними молекулярные соединения с потенциально такими свойствами. Это позволило обнаружить более 2000 химических соединений с возможными лекарственными свойствами, которые изначально не были известны алгоритму. Это пока не демонстрация квантового преимущества, но это определенный вектор для применений квантовых вычислений: нарастив возможности квантового компьютера, есть возможности дойти до полноценного моделирования действия лекарства», – рассказал Алексей Федоров.

Отдельного внимания заслуживает направление квантовых сенсоров для диагностики. Специалисты видят их потенциал, например, в магнитной энцефалографии, где по магнитным процессам в мозге диагностируются хронические психические заболевания. Сенсоры на основе квантовых точек способны фиксировать присутствие специфических вирусов в крови. Параллельно ведутся работы над биомаркерами для раннего выявления онкологических заболеваний.

Научный директор РКЦ Алексей Акимов представил возможности применения квантовых сенсоров для медицинских целей. Квантовые сенсоры — это новые устройства, которые для измерения физических величин используют алгоритмы и идеи, заимствованные из сферы квантовых вычислений.
«С помощью квантовых сенсоров можно с большей чувствительностью измерять магнитные поля, поскольку все квантовые частицы чувствительны к магнитному полю. Часто вместе с магнитным полем можно измерять и температуру, причем способом, минимально возмущающим живые объекты. Кроме того, несмотря на существование большого числа различных приемников излучения, здесь появляются принципиально новые решения. Люди научились, используя кубиты, измерять буквально единичные фотоны гигагерцового излучения! Еще пять лет назад это было невозможно, а сейчас такие решения появляются. Потенциал применения квантовых сенсоров очень большой, в том числе, в медицине. Совсем скоро в «Росатоме» стартует программа работы по направлению квантовых сенсоров», – отметил Алексей Акимов.

Участниками обсуждения в рамках III Международного молодежного ядерного форума «Obninsk NEW» стали руководители и ученые квантового проекта «Росатома», а также научно-исследовательских институтов отрасли, разрабатывающих медицинскую тематику, в том числе, направление по производству радиофармпрепаратов. С докладами выступили директор по квантовым технологиям «Росатома» Екатерина Солнцева, генеральный директор АО «ГНЦ РФ ФЭИ» (предприятие «Росатома») Андрей Лебезов, генеральный директор НИФХИ им. Л.Я. Карпова (предприятие «Росатома») Олег Кононов, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы квантовых информационных технологий Российского квантового центра (РКЦ) Алексей Федоров, научный директор РКЦ Алексей Акимов, руководитель научной группы «Росатом Квантовые технологии» Дмитрий Чермошенцев и  другие. Модератором мероприятия выступила заместитель генерального директора по развитию и международной деятельности АО «ГНЦ РФ ФЭИ» Наталья Айрапетова.

Программа внедрения квантовых вычислений, в т.ч. квантовых алгоритмов, в атомной отрасли, запущена в 2024 году. Уже проработано 17 различных проектов с применением квантовых вычислений, по четырем из них получены оптимистичные результаты. В частности, разработаны квантовые алгоритмы и программное обеспечение для решения целого ряда задач, включая оптимизацию производства, хранения и поставки потребителям продукции; моделирование процессов теплопереноса и теплопередачи с помощью решения системы линейных уравнений; оптимизацию плана выполнения производственных заказов с учетом технологического маршрута, а также оптимизацию в цифровых двойниках производственных объектов с использованием имитационного моделирования с квантово-вдохновленным оптимизатором. Для повышения квантовых компетенций в атомной отрасли свыше 150 специалистов, в т.ч. технических директоров предприятий, уже прошли повышение квалификации в рамках соответствующих программ в Корпоративной академии «Росатома».