Слово «квантовый» обычно вызывает желание закрыть вкладку, но погодите секундочку. А что если, благодаря этой самой квантовой запутанности фотонов, рак можно будет диагностировать, когда он ещё только зародился? Объясняем на пальцах (и без единой формулы!), как самая дикая теория физики поможет совершить революцию в медицине.
Когда речь заходит о диагностике рака, на ум приходят страшные аббревиатуры и сложные процедуры. Одна из самых продвинутых — ПЭТ, или позитронно-эмиссионная томография.
И ПЭТ — один из главных борцов с раком и Альцгеймером. Он видит не просто орган, а как он работает, где прячутся прожорливые раковые клетки. Звучит круто? Ага, только вот беда: картинка часто получается… как через грязное стекло во время дождя. Размыто. Шумно.
pinterest.com
Можно запросто пропустить мелкую опухоль или перепутать ее со здоровой тканью. Печаль? Боль? Дорогое лечение? Всё вместе. И виноваты в этом не врачи, а законы физики. Вернее, наше недопонимание этих законов.
До недавнего времени.
Что за ПЭТ?
Если объяснять на пальцах, то ПЭТ работает так: врачи вводят пациенту специальное радиоактивное вещество (чаще всего на основе глюкозы), и оно начинает свой путь по организму.
Раковые клетки любят поесть, они поглощают глюкозу гораздо активнее здоровых тканей. В итоге вколотый «сахар» с радиоактивной меткой накапливается именно в опухолях.
медуниверситет.рф
Эти метки начинают испускать позитроны (анти-электроны). Те сталкиваются с электронами в тканях и аннигилируют — то есть исчезают во вспышке энергии. От такого рождаются два гамма-фотона, вылетающие строго в противоположные стороны.
Детекторы томографа ловят эти фотоны и по точкам их прихода строят 3D-карту. Где ярче — там и подозрительная активность, потенциальная опухоль.
osnimke.ru
Казалось бы, всё гениально. Ан нет. Есть проблема, и она бесит медиков и физиков уже много лет.
Дело в том, что тело человека — не вакуум. Эти гамма-фотоны, прежде чем долететь до детектора, ныряют в ткани, сталкиваются с атомами… Это называется комптоновское рассеяние.
В итоге детектор ловит кучу фотонов, которые сбились с пути, потеряли часть энергии и летят не туда, куда должны. Это — мусорные события. Шум. Он забивает полезный сигнал, делает картинку нечёткой, и в итоге врач может увидеть не чёткую опухоль, а какое-то невнятное пятно.
Фотон λ сталкивается с препятствием (например, частицей в ткани) и меняет направление. Это рассеяние создает шум на ПЭТ-сканах
Wikimedia Commons
Чтобы с этим бороться, учёные просто фильтруют эти мусорные сигналы и выбрасывают их. Типа: «нет сигнала — нет проблемы». Но что, если этот мусор на самом деле — не мусор?
А что, если?..
Итак, есть одна, казалось бы, гениальная задумка. А вдруг фотоны, рождённые при аннигиляции — не простые, а квантово запутанные. Что это значит?
Квантовая запутанность — это фундаментальное свойство квантового мира. Две частицы (в нашем случае — те самые фотоны) рождаются вместе, и их состояния становятся взаимосвязаны навсегда. То есть, что бы ни случилось с одним, мгновенно сказывается на другом, и не важно, где они находятся — в соседних комнатах или на разных концах Вселенной.
Связь, которую не разорвать
ferra.ru
Это не передача информации быстрее света — это как если бы они были двумя частями одного целого.
Самого Эйнштейна эта идея весьма раздражала, он считал её нарушением всех мыслимых законов и презрительно называл «жутким дальнодействием» (spooky action at a distance). Ему казалось, что информация не может передаваться быстрее света.
Но десятилетия экспериментов доказали: Эйнштейн ошибался, а квантовая запутанность — реальна. И те самые фотоны, которые рождаются в теле пациента во время ПЭТ-сканирования, — это как раз такие жутко связанные близнецы.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор (Шестой Солвеевский конгресс, 1930). Там между учёными разгорелся нешуточный спор, по поводу квантовых взаимодействий. Несколько позже, в 1937 году, Эйнштейн пишет: «Поэтому я не могу в это поверить, так как (эта) теория непримирима с принципом того, что физика должна отражать реальность во времени и пространстве, без (неких) жутких дальнодействий»
Пауль Эренфест
Одной из характеристик этих запутанных фотонов является их поляризация (грубо говоря, ориентация колебаний). Раньше считалось за аксиому, что любое взаимодействие с окружающей средой (а столкновение с молекулой — это оно и есть) должно разрушать хрупкую квантовую связь.
Его квантовое состояние коллапсирует, запутанность разрушается — этот процесс называется декогеренция. Логично было предположить: мусорные рассеянные фотоны потеряли запутанность и поляризационные свойства, а хорошие, нерассеянные — сохранили.
Значит, можно придумать фильтр, который отсеет шум по этим признакам! Эта идея легла в основу разработок «квантовых ПЭТ» нового поколения. Но…
Вы не туда смотрите
Группа учёных из МФТИ и Института ядерных исследований РАН решила проверить эту аксиому на своей уникальной установке. Они взяли пары запутанных гамма-фотонов, рождённых при аннигиляции (как в реальном ПЭТ), и начали их намеренно расшвыривать под разными углами — моделировали то самое комптоновское рассеяние, которое и портит картинку в томографе.
Схема эксперимента по проверке запутанности. На этой установке (слева — схема, справа — фото) источник позитронов (центр) рождает пары запутанных γ-фотонов (синие стрелки). Каждый фотон проходит предрассеиватель (имитация тканей тела) и основной рассеиватель, затем регистрируется детектором. Черные/красные стрелки — нормали плоскостей для точного замера углов рассеяния. Синяя линия на фото — путь рассеянного фотона
IgorTkachev, Sultan Musin, et al.
Ожидалось, что рассеяние — это мгновенная потеря запутанности. Но результаты (кстати, опубликованные в Scientific Reports), как говорится, поразили.
Оказалось, что старая догма — чушь. Запутанность сохранялась. Практически полностью. Даже после серьёзного рассеяния! Фотоны, прошедшие через разные взаимодействия, всё ещё оставались связаны этой невидимой квантовой нитью со своими напарниками.
Наши результаты показали, что запутанные состояния аннигиляционных фотонов не коллапсируют до сепарабельных, как считалось ранее. Это открытие не только меняет представления о квантовой запутанности, но и представляет собой вызов для дальнейшего развития квантовых технологий в области медицинской визуализации.
Султан Мусин
ассистент кафедры общей физики МФТИ
Что это меняет?
Таким образом, надежды на создание квантового фильтра для ПЭТ, основанного на отличиях в поляризации рассеянных и нерассеянных фотонов, рухнули. Эксперимент МФТИ/ИЯИ РАН чётко показал: таких ожидаемых различий нет. То есть разрабатывать новые томографы как раньше не проканает.
Кстати, практически одновременно, независимо, к тем же выводам пришла группа из Йоркского университета (Великобритания) под руководством профессора Дэниела Уоттса. Их работа в Physical Review Letters — ещё одно железное подтверждение.
Надёжность квантовой запутанности между ПЭТ-фотонами стала для нас настоящим сюрпризом.
Дэниел Уоттс
Профессор, заведующий кафедры адронной и ядерной физики Йоркского университета
Когда два разных коллектива в разных странах получают один и тот же неожиданный результат — это уже не случайность, а новый закон природы.
Ну а где же прорыв? А выходит, что нужно использовать то, что раньше выбрасывали.
Раз рассеянные фотоны не теряют свою квантовую запутанность, значит, они — не просто мусор. Они несут ценнейшую квантовую информацию о своём рождении и о том месте, где произошла аннигиляция!
memepedia.ru
Иными словами: больше данных — круче картинка. Благодаря сохраненной запутанности, информация о паре (даже если один фотон пришел кривым путем) позволяет гораздо точнее определить точку их рождения внутри тела.
В результате врачи смогут получать невероятно детальные и чёткие изображения опухолей, видя то, что раньше было скрыто за «шумом».
Понятно, что человеческий мозг не сможет обработать всю эту квантовую кашу. Но для этого у нас есть теперь есть нейросети. Новые алгоритмы машинного обучения можно будет натравить на анализ этих данных. Нейронка будет реконструировать траектории миллионов рассеянных фотонов и строить на их основе сверхточные 3D-модели раковых опухолей.
ferra.ru
А значит и обнаружить болезнь можно будет на самых ранних стадиях (когда они ещё микроскопические). Раньше обнаружение — выше шанс на полное излечение. Это главное.
Ну и если мы научимся вытаскивать в разы больше полезной информации из каждого сканирования, то для получения качественной картинки понадобится меньше радиофармпрепарата. Для пациента это означает снижение дозы облучения, что всегда хорошо.
Когда ждать?
Теперь пора столкнуться с жестокой реальностью. Будем честны: завтра томографы нового поколения, использующие этот принцип, в больницах не появятся.
И даже не через год.
Это фундаментальное исследование, которое открывает дверь в будущее. Теперь другим учёным и инженерам предстоит создать и новые детекторы, и новое ПО, способное работать с этой квантовой информацией. Это займёт годы.
Надеюсь, в будущем случаев, когда врачи разводят руками со словами: «Обнаружили поздно», будет намного меньше
ferra.ru
Если взглянуть оптимистично, то лет 10-15 до реальных клинических аппаратов нового поколения. Но первые прототипы и прорывные статьи по алгоритмам мы увидим гораздо раньше, в ближайшие годы.
Но это всё уже сейчас — смена парадигмы. Мы десятилетиями смотрели на рассеянные фотоны как на помеху, а оказалось оно вон как.
Получается, что квантовая запутанность в медицине — инструмент в руках врачей, который однажды поможет спасти чью-то жизнь (а не бесячая идея для физиков-теоретиков).
ferra.ru
И это, согласитесь, покруче многих гаджетов, которые разные конторы штампуют пачками каждый день.
Такие дела.