Aujourd'hui, une personne atteinte d'un cancer du sein peut subir plusieurs cycles de chimiothérapie et passer des mois dans les limbes avant que des examens médicaux puissent montrer si ce cocktail particulier de médicaments toxiques réduit la tumeur.

Les chercheurs de la Case Western Reserve University s'efforcent de changer cela. Ils ont lancé une nouvelle approche appelée empreintes digitales par résonance magnétique, qui utilise des techniques d'analyse plus sensibles qui, selon eux, pourraient détecter si les traitements fonctionnent après une seule dose de chimiothérapie.

"Nous pensons que nous pouvons commencer à voir ces changements dans une semaine, par rapport à six mois, " a déclaré Mark Griswold, Case Western Reserve professeur de radiologie et directeur de la recherche en IRM. "C'est vraiment important pour les résultats des patients et la qualité de vie, parce que si votre chimiothérapie ne fonctionne pas, vous venez d'empoisonner votre corps pour rien."

La nouvelle méthode a des promesses incroyables, mais la conception des scans pour diagnostiquer rapidement et avec précision la maladie est un problème de calcul extrêmement difficile nécessitant des approches innovantes. Aujourd'hui, les chercheurs de Case Western Reserve ont trouvé une solution à ce problème et constaté des améliorations spectaculaires à l'aide d'algorithmes développés par l'équipe d'informatique quantique de Microsoft.

Les algorithmes « d'inspiration quantique » de Microsoft, conçu pour tirer parti des futurs ordinateurs quantiques, emprunter aux principes de la physique quantique pour résoudre des problèmes de calcul extrêmement difficiles. Mais ils sont également capables de fonctionner sur des ordinateurs classiques largement disponibles aujourd'hui.

Ils ont permis à l'équipe de Case Western Reserve de produire des analyses jusqu'à trois fois plus rapides que les approches de pointe précédentes, ainsi que des scans qui sont près de 30 pour cent plus précis dans la mesure d'un identifiant clé de la maladie.

Ces avancées pourraient aider les médecins à détecter plus tôt le cancer et d'autres maladies, développer de nouveaux médicaments pour des conditions où les progrès sont difficiles à mesurer aujourd'hui ou utiliser l'imagerie pour diagnostiquer des cancers plutôt que de se fier à des procédures invasives comme les biopsies.

Les algorithmes d'inspiration quantique de Microsoft sont particulièrement utiles pour les problèmes d'optimisation - qui impliquent de passer au crible un grand nombre de possibilités pour trouver une solution optimale ou efficace - qui sont si complexes et nécessitent une telle puissance de calcul que les technologies actuelles ont du mal à les résoudre.

Des exemples typiques pourraient inclure la garantie d'une circulation fluide dans toute une zone métropolitaine, l'attribution de l'espace d'embarquement et du tarmac d'un aéroport international très fréquenté ou la détermination de la meilleure façon de séquencer au mieux des processus de fabrication complexes sur de nombreux équipements différents.

En plus d'améliorer le travail de Case Western Reserve pour détecter plus rapidement et de manière fiable le cancer et d'autres maladies, L'équipe quantique de Microsoft est également en partenariat avec la Dubai Electricity and Water Authority, qui utilise des algorithmes d'inspiration quantique pour déterminer comment équilibrer idéalement les ressources provenant de différentes sources d'énergie sur l'ensemble de son réseau électrique.

Willis Towers Watson, un conseil global, société de courtage et de solutions, explore également comment les algorithmes d'inspiration quantique de Microsoft pourraient améliorer les modèles mathématiques complexes que l'entreprise utilise pour quantifier les risques et éclairer les stratégies d'investissement.

Les chercheurs de Microsoft ont développé les algorithmes dans le cadre d'un effort plus large visant à créer l'ordinateur quantique le plus stable et le plus évolutif de l'industrie à l'aide de particules d'information quantique appelées qubits topologiques. Une fois construit, les chercheurs affirment que la plate-forme informatique quantique pourrait permettre aux scientifiques d'effectuer des calculs en quelques minutes, ce qui prendrait des milliards d'années aux ordinateurs actuels.

Les algorithmes d'inspiration quantique simulent le fonctionnement de ces systèmes, mais peuvent être exécutés sur des ordinateurs existants. Alors que le développement d'un ordinateur quantique à usage général continue de progresser, les entreprises peuvent aujourd'hui rejoindre le Microsoft Quantum Network pour accéder à de nouveaux services d'inspiration quantique qui fonctionnent avec Microsoft Azure et du matériel informatique classique comme les unités centrales de traitement (CPU), les unités de traitement graphique (GPU) et les matrices de portes programmables sur le terrain (FPGA).

"Il s'avère que la pensée quantique et les leçons que nous avons tirées de la programmation de l'ordinateur nous ont conduits à une percée que nous pouvons exécuter aujourd'hui de manière classique, " dit Julie Amour, Directeur du développement commercial quantique de Microsoft.

Cela permet à l'équipe Microsoft de développer et d'accélérer des solutions client dans le domaine de la santé, direction financière, industries du pétrole et du gaz et de l'automobile, elle a dit.

"Un matériel plus puissant arrive, mais ces avancées quantiques se produisent maintenant, " L'amour a dit.

« Des résultats que nous n'avons tout simplement pas pu voir avec autre chose »

Comme tout parent le sait, il est possible de mettre la main sur le front d'un enfant et d'avoir une idée utile de savoir s'il ou elle a de la fièvre.

Mais sans thermomètre pour mesurer la température, il est plus difficile de prendre une décision éclairée sur ce qu'il faut faire :attendre et voir, traiter avec des médicaments ou se précipiter à l'hôpital.

La prise d'empreintes par résonance magnétique est une technique qui donne aux médecins qui interprètent une IRM le même degré de précision quantitative sur une gamme de propriétés tissulaires, plutôt que de se fier à l'expérience pour décider subjectivement si la luminosité ou la couleur d'une zone particulière indique que le tissu est malade ou sain. Il est actuellement utilisé dans une douzaine de centres médicaux universitaires, et une adoption plus généralisée est attendue dans les années à venir, les chercheurs ont dit.

"Des millions et des millions de personnes ont été sauvées ou ont vu leur vie améliorée grâce à l'IRM, mais en grande partie ce que nous avons fait jusqu'à présent est l'équivalent de mettre notre main sur la tête de quelqu'un, " a déclaré Griswold. " Le grand changement que permet la prise d'empreintes digitales est que nous pouvons obtenir les chiffres, comme une lecture de température, qui permettent de poser directement un diagnostic."

Prise d'empreintes par résonance magnétique, qui a été montré pour surpasser les protocoles d'IRM quantitatifs comparables d'un facteur de 1,8, produit des mesures numériques des propriétés des tissus pour chaque pixel d'une image. Il y parvient en utilisant des séquences d'impulsions beaucoup plus complexes - des ondes radio inoffensives qui se combinent avec des champs magnétiques pour générer des signaux distinctifs à partir de différents types de graisse, des tissus ou des tumeurs dans le corps d'un patient.

Ces modèles gourmands en données sont ensuite comparés à une vaste bibliothèque de tissus avec une "empreinte digitale" de résonance magnétique connue qui peut être calculée directement à partir de simulations physiques. Avec une précision suffisante, une correspondance de modèle seule pourrait être utilisée pour diagnostiquer un cancer du côlon ou du cerveau, épargner aux patients des procédures diagnostiques douloureuses ou invasives.

Et dans des conditions comme la sclérose en plaques et l'épilepsie, les scans d'empreintes digitales peuvent détecter des changements dans le cerveau qui sont invisibles avec les méthodes conventionnelles mais qui sont plus significatifs sur le plan clinique que ceux que les médecins peuvent voir aujourd'hui. Cela pourrait aider à mieux prédire comment la maladie évoluera chez un patient ou à déterminer si de nouveaux médicaments sont efficaces pour lutter contre des maladies pour lesquelles il n'y a actuellement aucune mesure de succès satisfaisante.

L'astuce avec les empreintes digitales par résonance magnétique consiste à déterminer laquelle, dans l'univers exponentiellement vaste des séquences d'impulsions possibles, produira des analyses rapidement et avec suffisamment de précision pour faire la distinction entre les tissus sains et les différentes manifestations de la maladie. Parce que chaque séquence est composée de nombreuses impulsions individuelles qui peuvent chacune varier selon l'angle, intensité ou durée, le nombre de séquences potentielles pour des acquisitions complexes est immense, rivalisant avec le nombre d'atomes dans l'univers visible.

"Très rapidement, cela devient un problème avec tant de possibilités qui sont toutes couplées les unes aux autres que les méthodes d'optimisation traditionnelles ont vraiment du mal à le résoudre de manière réaliste, " a déclaré Griswold. " Il y a des avantages uniques avec les algorithmes d'inspiration quantique qui nous permettent d'obtenir des résultats que nous n'avons tout simplement pas pu voir avec quoi que ce soit d'autre. "

Les séquences d'impulsions sélectionnées par les algorithmes d'optimisation de Microsoft ont fourni des analyses jusqu'à trois fois plus rapides que les précédentes, ce qui augmenterait le débit, réduire les coûts et améliorer l'accès à un diagnostic potentiellement salvateur, en particulier dans les régions qui ont des mois d'attente pour les IRM.

Et l'augmentation d'environ 30 % de la précision des mesures T2, qui peut être un identificateur important de la maladie, pourrait faire la différence entre attraper une tumeur tôt et ne pas la voir tant que les options de traitement prometteuses ne sont pas limitées.

"Nous avons été en mesure de montrer des gains vraiment importants qui vont bien au-delà d'un simple ajustement du système, " dit Griswold, qui est également directeur de la faculté pour Interactive Commons de Case Western Reserve. "J'ai l'impression que les algorithmes d'inspiration quantique et l'ordinateur quantique vont littéralement nous donner le prochain saut quantique. Vous n'obtiendrez jamais ces changements massifs dans votre entreprise en faisant les choses de la même manière."

À la découverte des algorithmes d'inspiration quantique

Dans un ordinateur quantique, les propriétés uniques des qubits, en particulier, leur capacité à détenir une valeur de 0 et 1 en même temps, leur permet de traiter les informations de façon exponentielle plus rapidement et potentiellement de trouver des solutions aux problèmes liés au changement climatique et à la faim dans le monde qui ne sont tout simplement pas possibles aujourd'hui. Mais parce que les particules quantiques sont notoirement capricieuses et instables, Microsoft travaille au développement de qubits plus fiables et évolutifs pouvant prendre en charge une plate-forme informatique quantique complète.

Un autre type de machine appelé recuit quantique utilise d'autres propriétés hallucinantes des particules quantiques pour effectuer une seule tâche :résoudre des problèmes d'optimisation avec de nombreuses variables et contraintes compliquées.

« Lorsque je parle aux entreprises clientes, ces problèmes d'optimisation difficiles reviennent encore et encore, " a déclaré Microsoft's Love. " J'ai peut-être une salle pleine de gens dans les services financiers, pharmaceutique, pétrole et gaz, automobile, industriels ou des entreprises chimiques et vous entendrez tout le monde dire, 'Oh mon Dieu, Oui, Oui, J'ai ça.'"

À l'origine, les chercheurs étudiaient simplement le fonctionnement des recuits quantiques, ils ont donc développé des algorithmes pour simuler ce qui se passait à l'intérieur. Par chance, ils ont décidé de tester leurs algorithmes classiques mais d'inspiration quantique sur un test d'optimisation populaire et ont découvert qu'ils avaient fait exploser d'autres solutions.

"C'était l'une de ces choses où vous pensez que vous faites un projet scientifique sur un sujet et vous découvrez quelque chose à côté et réalisez que c'est beaucoup plus excitant, " a déclaré Stephen Jordan, un chercheur senior de Microsoft qui travaille maintenant à appliquer des algorithmes d'inspiration quantique à des problèmes commerciaux et de recherche du monde réel.

"Cela a fait grand bruit parmi les spécialistes de l'optimisation qui étaient comme, « Qui sont ces gars sortis de nulle part ? Ce ne sont même pas des informaticiens ! Ce sont des physiciens quantiques qui ont ces algorithmes farfelus qui sont bien meilleurs, '" il a dit.

Pour résoudre des problèmes d'optimisation, les ordinateurs recherchent une solution qui nécessite le moins d'efforts ou de coûts. Dans certains cas, bien que, c'est comme un alpiniste qui essaie de trouver le point le plus bas absolu dans un inconnu, très irrégulier, paysage montagneux.

Une fois qu'il atteint une vallée particulière, il n'y a aucun moyen de savoir s'il y a un point inférieur au-dessus de la prochaine montagne. Et découvrir nécessite une énorme quantité d'énergie pour grimper et franchir la prochaine colline escarpée. Ils peuvent donc décider que cela n'en vaut pas la peine et rester coincés là-bas, sans jamais trouver le point le plus bas ou la meilleure solution.

Les particules quantiques ont une propriété unique qui, dans cet exemple, leur permet de creuser facilement un tunnel à travers la montagne pour découvrir ce qu'il y a de l'autre côté. En imitant cette capacité de tunnel, Les algorithmes d'inspiration quantique de Microsoft sont capables de résoudre les problèmes d'optimisation de manière entièrement nouvelle, en utilisant du matériel largement disponible.

Et lorsqu'un ordinateur quantique à part entière construit sur des qubits topologiques stables devient disponible, les mêmes algorithmes deviendront encore plus puissants, dit Matthias Troyer, Chercheur principal de Microsoft au sein de l'équipe d'informatique quantique.

« N'importe quel algorithme d'inspiration quantique peut être encore accéléré sur du matériel quantique. En les exécutant sur du matériel classique, nous n'avons pas encore tous les avantages, " dit Troyer. " Ce n'est pas qu'un classique. C'est entièrement sur la voie de l'informatique quantique."