Hoje, alguém com câncer de mama pode passar por várias rodadas de quimioterapia e passar meses no limbo antes que exames médicos possam mostrar se aquele coquetel específico de drogas tóxicas está diminuindo o tumor.

Os pesquisadores da Case Western Reserve University estão trabalhando para mudar isso. Eles foram os pioneiros em uma nova abordagem chamada Impressão digital por ressonância magnética, que usa técnicas de varredura mais sensíveis que eles esperam poder detectar se os tratamentos estão funcionando após apenas uma dose de quimioterapia.

"Achamos que podemos começar a ver essas mudanças dentro de uma semana, em comparação com seis meses, "disse Mark Griswold, Professor de radiologia da Case Western Reserve e diretor de pesquisa de ressonância magnética. "Isso é muito importante para os resultados do paciente e para a qualidade de vida, porque se sua quimioterapia não estiver funcionando, você apenas envenenou seu corpo para nada. "

O novo método tem uma promessa incrível, mas projetar os exames para diagnosticar doenças com rapidez e precisão é um problema computacional extremamente desafiador que requer abordagens inovadoras. Agora, os pesquisadores da Case Western Reserve encontraram uma solução para esse problema - e observaram melhorias dramáticas - usando algoritmos desenvolvidos pela equipe de computação quântica da Microsoft.

Algoritmos "inspirados no quantum" da Microsoft, projetado para tirar proveito de futuros computadores quânticos, tome emprestado de princípios da física quântica para resolver problemas computacionais extremamente difíceis. Mas eles também podem ser executados em computadores clássicos que estão amplamente disponíveis hoje.

Eles permitiram que a equipe da Case Western Reserve produzisse varreduras até três vezes mais rápidas do que as abordagens de última geração anteriores, bem como varreduras que são quase 30 por cento mais precisas na medição de um identificador chave da doença.

Esses avanços podem ajudar os médicos a detectar o câncer e outras doenças mais cedo, desenvolver novos medicamentos para condições em que o progresso é difícil de medir hoje ou usar imagens para diagnosticar câncer, em vez de depender de procedimentos invasivos como biópsias.

Os algoritmos de inspiração quântica da Microsoft são particularmente úteis para problemas de otimização - que envolvem vasculhar um vasto número de possibilidades para encontrar uma solução ótima ou eficiente - que são tão complexos e exigem tanto poder de computação que as tecnologias atuais lutam para resolvê-los.

Exemplos típicos podem incluir garantir que o tráfego flua sem problemas em toda uma área metropolitana, alocar espaço em portão e asfalto em um aeroporto internacional movimentado ou determinar a melhor sequência de processos de manufatura complicados em muitas peças diferentes de equipamentos.

Além de aprimorar o trabalho da Case Western Reserve para detectar o câncer e outras doenças de forma mais rápida e confiável, A equipe quântica da Microsoft também está fazendo parceria com a Autoridade de Eletricidade e Água de Dubai, que está usando algoritmos inspirados no quantum para descobrir como equilibrar de maneira ideal os recursos de diferentes fontes de energia em toda a sua rede elétrica.

Willis Towers Watson, uma consultoria global, corretora e empresa de soluções, também está explorando como os algoritmos inspirados no quantum da Microsoft podem melhorar os modelos matemáticos complexos que a empresa usa para quantificar o risco e informar as estratégias de investimento.

Os pesquisadores da Microsoft desenvolveram os algoritmos como parte de um esforço maior para criar o computador quântico mais estável e escalável da indústria, usando partículas de informação quântica chamadas qubits topológicos. Depois de construído, os pesquisadores dizem que a plataforma de computação quântica poderia permitir aos cientistas fazer cálculos em minutos que levariam os computadores atuais a bilhões de anos.

Os algoritmos inspirados no quantum simulam como esses sistemas funcionam, mas podem ser executados em computadores existentes. À medida que o desenvolvimento de um computador quântico de uso geral continua a progredir, as empresas de hoje podem ingressar na Microsoft Quantum Network para acessar novos serviços de inspiração quântica que funcionam com o Microsoft Azure e hardware de computador clássico, como unidades de processamento central (CPUs), unidades de processamento gráfico (GPUs) e matrizes de portas programáveis ​​em campo (FPGAs).

"Acontece que o pensamento quântico e as lições que aprendemos com a programação do computador nos levaram a um avanço que podemos executar hoje de forma clássica, "disse Julie Love, Diretor de desenvolvimento de negócios quânticos da Microsoft.

Isso permite que a equipe da Microsoft desenvolva e acelere soluções para clientes na área de saúde, gestão financeira, indústrias de petróleo e gás e automotiva, ela disse.

"Um hardware mais poderoso está chegando, mas esses avanços quânticos estão acontecendo agora, "Amor disse.

'Resultados que simplesmente não conseguimos ver com mais nada'

Como qualquer pai sabe, é possível colocar a mão na testa de uma criança e ter uma ideia útil se ela está com febre.

Mas sem um termômetro para medir a temperatura, é mais difícil tomar uma decisão informada sobre o que fazer - se esperar para ver, trate com remédio ou corra para o hospital.

A impressão digital por ressonância magnética é uma técnica para dar aos médicos que interpretam uma ressonância magnética o mesmo grau de precisão quantitativa em uma gama de propriedades do tecido, em vez de confiar na experiência para decidir subjetivamente se o brilho ou a cor de uma área específica indica que o tecido está doente ou saudável. Atualmente está em uso em uma dúzia de centros médicos acadêmicos, e uma adoção mais ampla é esperada nos próximos anos, pesquisadores disseram.

"Milhões e milhões de pessoas foram salvas ou tiveram suas vidas melhoradas por ressonância magnética, mas em grande parte o que fizemos até agora equivale a colocar a mão na cabeça de alguém, "disse Griswold." A grande mudança que a impressão digital permite é que podemos obter os números, como uma leitura de temperatura, que permitem fazer um diagnóstico diretamente. "

Impressão digital por ressonância magnética, que demonstrou superar os protocolos quantitativos de ressonância magnética comparáveis ​​por um fator de 1,8, produz medidas numéricas das propriedades do tecido para cada pixel de uma imagem. Ele consegue isso usando sequências de pulso muito mais intrincadas - ondas de rádio inofensivas que se combinam com campos magnéticos para gerar sinais distintos de diferentes tipos de gordura, tecido ou tumores dentro do corpo de um paciente.

Esses padrões de dados intensivos são então comparados a uma vasta biblioteca de tecidos com uma conhecida "impressão digital" de ressonância magnética que pode ser calculada diretamente a partir de simulações físicas. Com precisão suficiente, uma correspondência de padrão sozinha pode ser usada para diagnosticar câncer de cólon ou cérebro, poupando os pacientes de procedimentos diagnósticos dolorosos ou invasivos.

E em condições como esclerose múltipla e epilepsia, os exames de impressão digital podem detectar mudanças no cérebro que são invisíveis com os métodos convencionais, mas são mais clinicamente significativas do que as que os médicos podem ver hoje. Isso poderia ajudar a prever melhor como a doença irá progredir em um paciente ou determinar se novos medicamentos são eficazes no combate a doenças para as quais atualmente não há uma boa medida de sucesso.

O truque com a impressão digital por ressonância magnética é descobrir qual, do universo exponencialmente vasto de possíveis sequências de pulso, produzirá varreduras com rapidez e precisão suficiente para distinguir entre tecido saudável e diferentes manifestações de doença. Como cada sequência é composta de muitos pulsos individuais que podem variar de acordo com o ângulo, intensidade ou duração, o número de sequências potenciais para aquisições complexas é imenso - rivalizando com o número de átomos no universo visível.

"Muito rapidamente, isso se torna um problema com tantas possibilidades que estão todas acopladas entre si que os métodos de otimização tradicionais realmente lutam para resolvê-lo de forma realista, "Griswold disse." Existem vantagens únicas nos algoritmos inspirados no quantum que nos permitem obter resultados que simplesmente não fomos capazes de ver com qualquer outra coisa. "

As sequências de pulso escolhidas pelos algoritmos de otimização da Microsoft forneceram varreduras até três vezes mais rápido do que as anteriores - o que aumentaria o rendimento, reduzir custos e melhorar o acesso a um diagnóstico que pode salvar vidas, particularmente em áreas que têm esperas de meses para ressonâncias magnéticas.

E o aumento de aproximadamente 30 por cento na precisão para medições T2, que pode ser um importante identificador de doença, pode significar a diferença entre detectar um tumor precocemente e não vê-lo até que as opções de tratamento promissoras sejam limitadas.

"Conseguimos mostrar ganhos realmente significativos que vão muito além de apenas ajustar um pouco o sistema, "disse Griswold, que também atua como diretor do corpo docente do Interactive Commons da Case Western Reserve. “Eu sinto que os algoritmos inspirados no quantum e o computador quântico vão literalmente nos dar o próximo salto quântico.

Descobrindo algoritmos inspirados no quantum

Em um computador quântico, as propriedades únicas dos qubits - em particular, sua capacidade de manter um valor de 0 e 1 ao mesmo tempo - permite que eles processem informações exponencialmente mais rápido e potencialmente encontrem soluções para problemas relacionados à mudança climática e à fome mundial que simplesmente não são possíveis hoje. Mas porque as partículas quânticas são notoriamente exigentes e instáveis, A Microsoft está trabalhando para desenvolver qubits mais confiáveis ​​e escaláveis ​​que possam oferecer suporte a uma plataforma de computação quântica completa.

Um tipo diferente de máquina, chamado recozedor quântico, usa outras propriedades alucinantes das partículas quânticas para realizar uma única tarefa:resolver problemas de otimização com muitas variáveis ​​e restrições complicadas.

"Enquanto converso com clientes empresariais, esses difíceis problemas de otimização surgem repetidas vezes, "disse o amor da Microsoft." Posso ter uma sala cheia de pessoas em serviços financeiros, farmacêutica, óleo e gás, automotivo, indústrias ou empresas químicas e você ouvirá todos dizendo:'Oh meu Deus, sim, sim, Eu tenho isso. '"

Originalmente, os pesquisadores estavam apenas investigando como os recozedores quânticos funcionavam, então eles desenvolveram algoritmos para simular o que estava acontecendo lá dentro. Por acaso, eles decidiram testar seus algoritmos clássicos, mas inspirados no quantum, em um teste de otimização popular e descobriram que explodiram outras soluções.

"Foi uma daquelas coisas em que você pensa que está fazendo um projeto de ciências sobre um tópico e descobre algo à parte e percebe que é muito mais emocionante, "disse Stephen Jordan, um pesquisador sênior da Microsoft que agora está trabalhando para aplicar algoritmos inspirados no quantum a negócios e problemas de pesquisa do mundo real.

"Isso causou uma grande agitação entre as pessoas de otimização que pensavam, 'Quem são esses caras do nada? Eles nem mesmo são cientistas da computação! Eles são físicos quânticos que têm esses algoritmos malucos que são muito melhores, '" ele disse.

Para resolver problemas de otimização, os computadores procuram uma solução que requeira o menor esforço ou custo. Em alguns casos, no entanto, é como um alpinista que está tentando encontrar o ponto mais baixo absoluto em um lugar desconhecido, altamente irregular, paisagem montanhosa.

Uma vez que ele ou ela chega a um vale particular, não há como saber se há um ponto mais baixo na próxima montanha. E descobrir requer uma grande quantidade de energia para escalar e ultrapassar a próxima colina íngreme. Assim, eles podem decidir que não vale a pena e ficar parados - nunca encontrando o ponto mais baixo ou a melhor solução.

As partículas quânticas têm uma propriedade única que, neste exemplo, permite que eles abram um túnel facilmente pela montanha para descobrir o que há do outro lado. Ao imitar essa capacidade de tunelamento, Os algoritmos inspirados no quantum da Microsoft são capazes de resolver problemas de otimização de maneiras totalmente novas - usando hardware amplamente disponível.

E quando um computador quântico completo construído em qubits topológicos estáveis ​​torna-se disponível, os mesmos algoritmos se tornarão ainda mais poderosos, disse Matthias Troyer, Pesquisador principal da Microsoft na equipe de computação quântica.

"Qualquer um dos algoritmos inspirados no quantum pode ser ainda mais acelerado no hardware quântico. Executando-os em hardware clássico, não temos todas as vantagens ainda, "Troyer disse." Este não é apenas um clássico único. Está a caminho da computação quântica. "