Сила кванта. В Петербурге разрабатывают прорывные технологии для медицины

Квантовые технологии стали новым полем битвы за первенство между странами, и Россия здесь собирается занять лидирующие позиции. До 2024 года на реализацию дорожной карты развития квантовых технологий потратят более 23 млрд руб. При этом 120 проектов, 75 продуктов и сервисов реализуют в Санкт-Петербурге. О том, как квантовые технологии могут помочь в медицине, – рассказал руководитель проекта по разработке сверхчувствительных магнитных сенсоров для медицинских применений Максим Острась.

   

   

Измерить мысль

«Давайте разберемся, как все это работает на примере головного мозга человека – самого сложного органа в нашем теле. Некоторые специалисты считают, что этот орган является самым сложным объектом в известной нам части вселенной. Действительно, ученые уже умеют моделировать черные дыры, однако полноценную работающую модель мозга сделать до сих пор не могут. Несмотря на многомиллиардные вливания в эту область. Одним из ключевых препятствий является то, что в рамках работы нашего мозга задействовано примерно 100 миллиардов нейронов, связанных между собой более чем со 100 триллионами синапсов. Смоделировать такое количество объектов не позволяет даже современный суперкомпьютер. Необходимый для этого вычислительный прибор не поместился бы ни в одно адекватное помещение. Однако можно пойти революционным путем и найти решения в области других вычислительных устройств. И в частности – квантовых.

Что такое мысль? В общем понимании это продукт деятельности мышления, разума. Нечто абстрактное... Но чтобы измерить какую-то величину, она должна быть физической. И пока современные ученые не знают, что является физическим воплощением мысли. Ясно, что, когда мы думаем, у нас активируются нейроны, которые между собой создают связи, и происходит процесс мышления. Но конкретно понять, где находится мысль, когда мы думаем, – нельзя. Так, когда мы думаем о вкусном мороженом, которое съели вчера, задействуются практически все участки мозга. Понять, почему именно так происходит, – сложно. Однако все не настолько плохо. И мы знаем, что определенные участки мозга отвечают за обработку разной информации. К примеру, зрительная кора – за визуальную информацию, моторная кора – за движения и префронтальная кора – за принятие решений. Мы можем это измерить. Но с помощью чего?

Хакнуть мозг. Когда учёные смогут читать наши мысли? Подробнее

Устройств для нейровизуализации, позволяющих визуализировать структуру, функции и биохимические характеристики мозга, сейчас немало. Например, магнитно-резонансная томография (МРТ). Но у этого метода есть недостатки – он дорогой, а временное разрешение очень низкое – порядка секунды. Таким образом процессы, которые происходят вследствие быстрой активности нейронов, функциональное МРТ не видит. Другим методом нейровизуализации является электроэнцефалография (ЭЭГ). В отличие от МРТ, это недорогая диагностика, которая имеет хорошее временное разрешение – порядка миллисекунды, но плохое пространственное. Ткани головного мозга сильно ослабляют электрический сигнал и сложно определить точную локализацию, например, патологического очага.

И, наконец, третий метод – магнитоэнцефалография (МЭГ), разработкой которого мы сегодня и занимаемся. Вследствие нейронной активности, которая происходит в головном мозге, мы можем детектировать очень маленькие магнитные поля – в десятки миллиардов раз меньше магнитного поля земли. Они проходят через ткани головного мозга без изменений (в отличие от электрических). Но для их обнаружения нужны особенные сверхчувствительные датчики. Такую чувствительность сегодня могут показать только квантовые датчики (сенсоры)».

Читать мысли и омолаживать клетки. Квантовая медицина научит жить дольше? Подробнее

   

   

Датчик в клетке

«Сенсоры – одно из самых перспективных направлений рынка квантовых технологий. Они незаменимы для тех областей, где необходимы сверхточные измерения – навигация на земле и в космосе, поиск полезных ископаемых и др. Однако наибольший потенциал квантовых датчиков (сенсоров) раскрывается именно в области медицины. И первое преимущество заключается в том, что они могут иметь крайне маленький размер – несколько десятков нанометров в диаметре (это в тысячу раз тоньше человеческого волоса). Такой датчик можно поместить внутрь живой клетки, не разрушая ее жизнедеятельности, и затем смотреть на процессы, которые в ней происходят. Почему это имеет большое значение? В современной медицине важно понимать, что происходит не только на уровне определенных органов, но и на уровне клеток и даже молекул. Это поможет понять, какие процессы запускают многие заболевания – в частности, аутоиммунные и онкологические.

Второе преимущество квантовых сенсоров – это их феноменальная чувствительность в силу квантомеханических эффектов (суперпозиции, запутанности, сжатия квантовых состояний), что позволит значительно повысить точность измерений в сравнении с существующими классическими сенсорами.

Робот-президент. Какие фантастические технические новинки скоро появятся? Подробнее

До недавнего времени устройства на квантовых датчиках для магнитоэнцефалографии были очень дорогими. Так, квантовые датчики предыдущего поколения использовали в своей работе жидкий гелий, они должны были быть постоянно охлажденными. Это делало технологию дороже и масштабнее. Огромное устройство помещалось в специально оборудованную магнитозащитную комнату, и одно тестирование человека на такой установке стоило несколько тысяч долларов. Однако прогресс не стоит на месте, появляются новые типы квантовых датчиков, не требующие охлаждения гелием и дорогостоящей инфраструктуры. Думаю, что лет через 10 мы уже на практике будем активно применять квантовые сенсоры в области медицинской диагностики».

О том, что такое квантовый компьютер и почему страны стремятся изобрести его первыми, – читайте в ближайших материалах «АиФ».

Комментарий: престиж страны

Вице-премьер, сопредседатель оргкомитета Года науки и технологий Дмитрий Чернышенко:

«Развитие квантовых технологий – один из важнейших факторов, напрямую влияющих на международное лидерство государств. За последние несколько лет российские ученые достигли значительных успехов в этой области.

В этом году была запущена первая линия квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом – это самый крупный участок квантовой сети в Европе и второй по величине в мире. Активно реализуется дорожная карта по развитию квантовых вычислений. В 2020 году мы закупили оборудование для квантовых лабораторий на общую сумму более 5 млрд рублей. До конца этого года планируется создание прототипа квантового процессора из четырех кубитов, запуск облачной платформы для осуществления квантовых вычислений и открытие международной лаборатории. На реализацию дорожной карты заложено более 23 млрд рублей, включая бюджетное и внебюджетное финансирования. К 2024 году мы должны создать 100-кубитный квантовый компьютер».

Технологические долины, которые появятся в Северной столице

ИТМО Хайпарк. Площадь – 112,7 га. Дата окончания строительства – 2027 год. Инвестиции – 41 млрд руб. (53% – из федерального бюджета, 12% – из городского, 35% – частные инвестиции).

Инновационный научно-технологический центр (ИНТЦ) появится в городе-спутнике Южный и будет состоять из трех частей:

• Второго кампуса Университета ИТМО: включает в себя главный учебный корпус, студенческий клуб, спортивный комплекс, общежития, музей науки, три научных центра (информационные технологии, фотоника и квантовые технологии, науки о жизни и здоровье). Первая очередь будет сдана в 2023 г., вторая – в 2027.
• Технологической долины: территория особого льготного налогового режима для компаний-резидентов. Здесь будут расположены объекты научной и инновационной инфраструктуры для бизнеса, офисы российских и зарубежных компаний, а также небольшие производства.
• Бизнес-парка: деловая зона, на территории которой подразумевается создание Национального центра урбанистики, Центра обработки данных, бизнес-инкубатора, а также объектов деловой и культурной инфраструктуры.

Ткани будущего. Ученые Петербурга разработали самоочищающуюся одежду Подробнее

СПбГУ «Невская дельта». Площадь – 100 га с возможностью увеличения до 300. Дата окончания строительства – ориентировочно 2026 г. Инвестиции – 50 млрд руб.

Инновационный центр расположится прямо возле нового университетского городка СПбГУ в Пушкине (кампус построят в 2022-2028 гг.), куда планирует переехать вуз. В «Невской дельте» появятся научно-производственные объекты, бизнес-инкубатор, технопарк, кросс-функциональные центры. Разработки будут вестись в таких областях, как: экология; энергетика и нефтегазовые технологии; сельское хозяйство и агротехнологии; медицинские технологии и фармацевтика; цифровизация и цифровое моделирование; биотехнологии и генетика; приборостроение и новые материалы (в том числе для использования при экстремально низких температурах в условиях Арктики). Технологический центр позволит проводить опытные производства, сертификацию и испытания новых разработок, что значительно сократит время между идеей и ее реализацией.

«Приморская долина» СПбГМТУ. Площадь – 12 га. Проект на стадии согласования, размер инвестиций и сроки строительства пока неизвестны.

Инновационный центр будет создан в городе Приморск Ленинградской области, на территории учебно-научной базы Морского технического университета, где раньше проводились испытания кораблей. Он будет ориентирован на разработку и внедрение технологий для освоения шельфа в Арктике. Компании объединят в четыре основных кластера:

• Первый кластер сосредоточится на создании отечественной элементной базы для электроники и оптоэлектроники.
• Второй кластер – приборостроительный, компании этого направления будут разрабатывать системы, установки, роботов для непосредственной работы на шельфе.
• Третий кластер – масштабный испытательный полигон для различных разработок перед отправкой на объекты.
• Четвертый кластер – образовательный, который будет готовить кадры для отрасли, а также учить сотрудников добывающих компаний работать с новым оборудованием. Для этого на территории ИНТЦ построят учебный корпус и гостиницу.

«Цифра» в медицине. В Петербурге создали полезную для врачей программу Подробнее

Проект реализован на средства гранта Санкт-Петербурга