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Non è un tema di strettissima attualità, ma è molto meno fantascientifico di quanto si possa pensare. Il quantum computing e il suo impiego nell’healthcare è infatti un argomento di discussione per le enormi potenzialità che potrebbe rivelare in tempi anche più brevi del previsto. “Sono restio a indicare una tempistica precisa: un anno? Si tratta di due anni, tre anni per entrare in produzione? Ma oggi stiamo vedendo risultati reali che ci dicono che questo sarà fattibile nel breve termine“, è l’opinione di Christopher Savoie, CEO dello sviluppatore di software quantistico Zapata Computing. E i primi esempi si sono già visti.

Atomwise, azienda americana che si propone l’obiettivo di avere le migliori medicine il più in fretta possibile, per accelerare i tempi utilizza supercomputer che individuano le terapie da un database di strutture molecolari. La sua rete neurale AtomNet esamina più di cento milioni di composti al giorno.

Nel 2015 ha lanciato una ricerca virtuale di farmaci sicuri ed esistenti che potessero essere riprogettati per trattare il virus Ebola. Ha trovato due candidati farmaci in meno di un giorno, abbreviando un processo di ricerca durato mesi. In un altro esempio, InSilico Medicine ha fatto notizia con l’annuncio che il processo di sviluppo di un nuovo farmaco candidato è durato solo 46 giorni grazie all’aiuto del suo algoritmo intelligente.

Sempre negli Stati Uniti Cleveland Clinic, nome importante nella sanità Usa, ha siglato una partnership decennale con Ibm che ha fornito due computer quantistici, ingegneri e formazione per il nuovo centro di ricerca della clinica che studia la genomica, gli agenti patogeni emergenti, le malattie legate ai virus e le minacce alla salute pubblica. Fino a questo accordo, Ibm aveva installato sistemi quantistici solo nelle proprie strutture.

E l’Italia? Qualcosa si muove. Da pochi giorni ha iniziato la sua attività la Fondazione ICSC che gestirà uno dei cinque Centri Nazionali previsti dal PNRR. Nasce così il Centro nazionale di ricerca in high performance computing, big data e quantum computing che, proposto dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che conta 51 membri fondatori distribuiti su tutto il territorio nazionale, provenienti dai settori pubblico e privato, dal mondo della ricerca scientifica e dell’industria.

Il nuovo Centro farà base al Tecnopolo di Bologna, una cittadella dell’innovazione promossa dalla Regione Emilia-Romagna, che già ospita il datacenter del Centro Meteo Europeo e a breve accoglierà il supercalcolatore Leonardo gestito da Cineca, e il Centro di Calcolo dell’INFN, e metterà in rete e a sistema le specifiche conoscenze, competenze e risorse di realtà che operano in tutta Italia in molteplici ambiti, con l’obiettivo di costruire un’infrastruttura distribuita e trasversale che supporti la ricerca scientifica e il mondo produttivo nell’innovazione e digitalizzazione del Paese. Il Centro svolgerà attività di ricerca e sviluppo a favore dell’innovazione nel campo delle simulazioni, del calcolo e dell’analisi dei dati ad alte prestazioni.

Più operazioni in modo più veloce

In Europa il paese guida è la Germania dove il Centro tedesco per la ricerca sul cancro (DKFZ) sta progettando di utilizzare il computer quantistico IMB Q System One a Ehningen per analizzare i dati dei pazienti affetti da cancro per un trattamento personalizzato. Secondo Raoul Klingner, Direttore della gestione e della governance della ricerca presso la Fraunhofer-Gesellschaft: “L’uso dell’informatica quantistica in un campo così complesso e significativo come la terapia oncologica personalizzata mette in evidenza il potenziale che l’informatica quantistica offre alla medicina e a numerosi altri settori“. A questi movimenti corrisponde una crescita del business che dovrebbe superare cinque miliardi di dollari entro il 2028. L’assistenza sanitaria è uno dei settori che si prevede svolgeranno un ruolo chiave nel guidare questa crescita, con un tasso di crescita di oltre il 30%. Altre previsioni assicurano un roseo futuro al quantum.

Cosa sia il quantum computing lo spieghiamo in questo articolo, mentre qui proviamo a elencare quali sono i settori in cui potrebbe rivelarsi molto utile. In generale il quantum permette di svolgere molte più operazioni in modo più veloce. Per esempio, nel caso tedesco, la quantistica rende più efficaci i trattamenti contro il cancro. La radioterapia rimane il trattamento principale per i pazienti, ma se non è calibrata correttamente può uccidere le cellule sane insieme a quelle tumorali. Produrre un piano di radioterapia richiede l’elaborazione di migliaia di variabili e richiedere molte ore. Attualmente i centri medici utilizzano l’informatica classica, ma con una tale quantità di dati i risultati non sono sempre accurati come si spera. L’informatica quantistica può eseguire tutte le possibili permutazioni e considerare un maggior numero di dati in un lasso di tempo più breve, per produrre un piano di trattamento meglio ottimizzato.

Il quantum può anche migliorare la diagnosi delle malattie rare in diversi modi. Per loro natura, le malattie rare non si manifestano spesso, quindi la maggior parte dei medici non è esperta nell’individuarle. I computer quantistici possono supportare potenti strumenti di apprendimento automatico in grado di confrontare un numero maggiore di sintomi con un insieme quasi illimitato di malattie e condizioni. Grazie alle informazioni più dettagliate fornite dal sequenziamento genomico completo supportato dai computer quantistici, i medici possono comprendere le malattie a un livello più profondo. Il sequenziamento genomico quantistico ha anche già fatto emergere diagnosi accurate per malattie rare che non erano state identificate in precedenza, consentendo talvolta un trattamento efficace con risultati impressionanti.

I vantaggi del quantum computing per l’imaging clinico

I computer quantistici possono valutare le immagini più velocemente rispetto all’informatica classica, migliorando e velocizzando l’analisi di scansioni complesse come le risonanze magnetiche. Inoltre, l’informatica quantistica può creare “dati falsi” per gli algoritmi diagnostici. Quando non ci sono abbastanza dati per addestrare un algoritmo a rilevare un tumore raro, per esempio, i computer quantistici possono offrire dati di riempimento per completare il modello.

L’imaging è un altro possibile campo di applicazione. I dispositivi di imaging e scansione quantistica sono ancora agli inizi, ma gli scienziati sono entusiasti delle loro possibilità. Combinando le nanoparticelle con l’informatica quantistica si potrebbero creare sensori quantistici, che potrebbero consentire una diagnosi più precoce e affidabile di patologie come il cancro o la demenza. MacQSimal, azienda specializzata nella quantistica, mira a sostituire le ingombranti, costose ed energivore macchine per la magnetoencefalografia con sensori quantistici per scansioni cerebrali più accurate. Nel frattempo, MetaboliQS sta lavorando per un imaging cardiaco multimodale più sicuro, al fine di migliorare la diagnosi delle malattie cardiovascolari.

L’industria farmaceutica è uno dei settori che maggiormente potrebbe usufruire dei benefici dell’impego di questa tecnologia. Con il quantum lo studio e sviluppo di nuovo farmaci potrebbe essere molto più veloce. L’esecuzione di ricerche su computer quantistici potrebbe dispiegare l’esame di tutte le possibili molecole a una velocità oggi inimmaginabile per i test.

Analisi del DNA con il quantum computing

Situazione analoga per le sperimentazioni cliniche in silico che indica fenomeni di natura chimico-biologica riprodotti in una simulazione matematica al computer, invece che in provetta o in un essere vivente. Il calcolo quantistico potrebbe far progredire notevolmente la costruzione di “esseri umani virtuali” e di simulazioni complete come HumMod, che presenta più di 1.500 equazioni e 10.000 variabili come fluidi corporei, circolazione, elettroliti, ormoni, metabolismo e temperatura della pelle. Si aprirebbero anche le porte a sperimentazioni cliniche “dal vivo” con il maggior numero possibile di pazienti virtuali. Non solo accorcerebbe in modo massiccio il tempo necessario per tali sperimentazioni, ma anche la loro qualità e completezza.

Altro campo di applicazione riguarda sequenziamento e analisi del DNA. Gli ultimi due decenni hanno visto cambiamenti radicali nella genetica e nella genomica. Ci sono voluti più di 15 anni per decifrare il codice del Dna umano: il Progetto Genoma Umano è iniziato nel 1990, è costato miliardi di dollari e ha potuto presentare i suoi risultati finali nel 2006. Sebbene le condizioni tecniche, il tempo e il costo del sequenziamento dei genomi siano stati ridotti di un fattore di un milione in meno di dieci anni, la rivoluzione è in ritardo.

L’informatica quantistica però può dare una spinta significativa al settore: con essa sarà possibile un sequenziamento più rapido, nonché un’analisi più completa e veloce dell’intero genoma. Inoltre, le previsioni saranno più affidabili, poiché i computer quantistici potrebbero tenere conto di un numero ancora maggiore di informazioni rispetto ai computer tradizionali, e potrebbero persino integrare ogni dato genomico nelle cartelle cliniche. Con il diffondersi dei wearable bisognerà gestire e analizzare una mole impressionante di dati calcolabili in trilioni di gigabyte. Un lavoro che può essere fatto solo dai computer quantistici.

E poi c’è la gestione della letteratura scientifica. Su Pubmed ci sono 34 milioni di articoli. Se un singolo medico potesse leggere solo 3-4 studi del suo campo di interesse a settimana, non potrebbe finirlo in una vita intera e nel frattempo uscirebbero milioni di nuovi studi.

IBM Watson ha già provato ad affrontare il problema, ma l’informatica quantistica porterebbe tutto questo a un livello completamente nuovo e potrebbe persino aumentarlo con abilità speciali offrendo anche un supporto decisionale ai medici. È solo questione di tempo.