Переключиться • 9 декабря 2024
Технологии, которые спасают: как квантовые компьютеры помогут предотвратить следующую смертельную эпидемию
Технологии, которые спасают: как квантовые компьютеры помогут предотвратить следующую смертельную эпидемию
Текст: Наталья Покровская
Фото: alpina.ru
Квантовые компьютеры решают задачи, которые не под силу классическим вычислительным системам. Анализируя огромные массивы данных, они способны помочь ученым делать важные открытия во множестве сфер — от IT и криптографии до коммерческих исследований и медицины. Какие инновационные технологии появятся в ближайшие десятилетия и как они могут спасти человечество от смертельной опасности, рассказывает сотрудник Института перспективных исследований в Принстоне и Нью-Йоркского университета, профессор теоретической физики Митио Каку в своей книге «Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит все». Книга вышла в сентябре в издательстве «Альпина нон-фикшн». Inc. публикует ее отрывок.
Однако, благодаря успехам генетики, в 2020 г. ученые смогли секвенировать генетический материал вируса COVID-19 всего за несколько недель. Это позволило создать вакцины, способные стимулировать иммунную систему организма для борьбы с этим вирусом. Но это был всего лишь способ активизировать собственную иммунную систему организма и научить ее защищаться. Не хватало другого — отсутствовал способ борьбы с самим смертельно опасным вирусом.
Время — жизни
Есть несколько способов, посредством которых квантовые компьютеры могут помочь нам остановить следующую пандемию. В самом минимальном варианте нам нужна система раннего предупреждения, которая могла бы распознавать нарождающиеся вирусы в реальном времени. С момента появления новой версии вируса COVID-должно пройти несколько недель, прежде чем будет поднята тревога и объявлено предупреждение. В этот период вирус может незамеченным проникнуть в человеческую экосистему. Задержка в несколько недель позволит ему охватить миллионы людей.
Один из способов отслеживания эпидемий состоит в размещении датчиков в системах канализации по всему миру. При анализе сточных вод, особенно вокруг густонаселенных городских районов, вирусы можно легко выявить. Экспресс-тесты на антигены способны заметить вспышку вируса примерно через 15 минут. Однако громадное количество данных, поступающих из миллионов канализационных систем, способно без труда перегрузить любой цифровой компьютер. Но квантовые компьютеры сильны именно в этом: они прекрасно умеют анализировать целые массивы данных в поисках пресловутой иголки в стоге сена.
Некоторые сообщества в США уже устанавливают сенсоры в своих канализационных системах для раннего предупреждения об опасности. Еще одну систему раннего предупреждения продемонстрировала компания Kinsa, которая производит термометры, подключаемые к интернету. Отслеживая вспышки массовых лихорадочных состояний по стране, можно выявить важные аномалии. Так, в марте 2020 г. больницы американского Юга были буквально затоплены странными сообщениями о тысячах людей, страдающих от какого-то нового вируса. Многие тогда умерли. Больницы были переполнены.
Согласно одной из теорий, событием — суперраспространителем вируса, подвергнувшим его действию сотни тысяч ничего не подозревающих людей, стало празднование Марди Гра в конце февраля 2020 г. в Новом Орлеане. Конечно, при анализе показаний термометров сразу после Марди Гра видны внезапные пики температуры пациентов на юге. Как ни печально, у врачей не было опыта встречи с новым смертельно опасным вирусом, поэтому прошло несколько недель, прежде чем врачи обратили внимание
Предупрежден — вооружен
В будущем, когда появится обширная сеть медицинских устройств (термометров и других датчиков), подключенных к интернету, можно будет получить мгновенный температурный срез происходящего в стране, проанализированный квантовым компьютером. Простого взгляда на карту США будет достаточно, чтобы увидеть горячие точки, представляющие события, которые могут стать новыми суперраспространителями.
Еще один способ создания системы раннего предупреждения предполагает использование социальных сетей, которые лучше, чем что-либо, отражают пульс происходящего в стране в реальном времени. Так, алгоритмы будущего должны быть настроены на поиск в сети необычных сообщений. Если, к примеру, люди начинают постить такие вещи, как «Я не могу дышать» или «Я не чувствую запахов», то квантовые компьютеры смогут выловить эти аномальные фразы в общем потоке. Затем работники здравоохранения проверят эти случаи и посмотрят, не вызваны ли они какой-то заразной болезнью. Аналогично квантовые компьютеры будут распознавать вспышки вируса сразу же, как только они случатся. Можно сконструировать датчики, способные улавливать аэрозоли вируса в воздухе.
В начале эпидемии правительственные чиновники заверяли, что достаточно находиться на расстоянии 1,5-2 м от других людей, чтобы предотвратить распространение вируса. Передача вируса, утверждали они, происходит в основном через капли, вылетающие при кашле и чихании. Сейчас полагают, что это, по всей видимости, была ошибка. Реальные исследования вируса показывают, что частицы аэрозоля после чиха, к примеру, способны переносить вирус на 6 м и более. Кроме того, считается, что один из основных путей переноса вируса — это распыление слюны, возникающие просто при разговоре. Сидеть рядом с людьми, которые поют, декламируют или просто громко говорят в помещении больше минут, — значит ускорять распространение вируса.
Так что в будущем целая сеть датчиков, размещенных внутри помещений, позволит обнаруживать в воздухе подобные распыления и направлять результаты квантовым компьютерам, которые, проанализировав этот огромный массив информации, увидят ранние предупредительные признаки следующей пандемии.
Повлиять на иммунитет
Вакцины доказали, что собственная иммунная система организма — мощная защита от инфекционных болезней. Но ученые очень мало знают о том, как она на самом деле работает. Мы до сих пор открываем для себя удивительные факты об иммунной системе. К примеру, ученые теперь понимают, что многие болезни не нападают непосредственно на организм.
Испанка 1918 года убила больше народа, чем погибло во время Первой мировой войны. К несчастью, образцы того вируса никто не сохранил, поэтому сегодня его трудно проанализировать и определить, как он убивал людей. Но несколько лет назад ученые смогли побывать в Арктике и исследовать тела умерших от вируса испанки, сохранившиеся в вечной мерзлоте. Обнаружились очень интересные вещи.
Оказалось, что эта болезнь не убивала свои жертвы непосредственно. Она перевозбуждала иммунную систему организма, которая начинала наводнять тело опасными химическими веществами в надежде уничтожить вирус. В конечном итоге именно этот цитокиновый шторм и убивал пациента. Так что главным убийцей на самом деле оказалась собственная иммунная система организма, впавшая в буйство.
Аналогичная история была обнаружена и в случае COVID-19. Когда человека кладут в больницу, его ситуация поначалу, возможно, не кажется угрожающей. Но на более поздних этапах болезни, когда на сцену выходит цитокиновый шторм, опасные химические вещества, которые наводняют тело, в конечном итоге приводят к отказу жизненно важных органов. Если с этим не бороться, дело часто заканчивается смертью.
Не исключено, что в будущем квантовые компьютеры дадут нам беспрецедентную возможность заглянуть в молекулярную биологию иммунной системы. Тогда, возможно, мы научимся выключать или приглушать иммунную систему одним из многочисленных способов, чтобы она не убивала нас в случае серьезной инфекции.
Оценить врага заранее
Возможно, квантовые компьютеры также окажутся критически важными при определении свойств вируса в процессе его мутации. К примеру, «омикрон» — один из вариантов COVID-19 — появился где-то в ноябре 2021 г. Его геном был секвенирован, и сразу же включились тревожные колокола. В нем было обнаружено 50 мутаций, которые делали его более заразным и легче передаваемым в сравнении с вирусом «дельта».
Но ученые бессильны были определить в точности, насколько опасным должны были сделать вирус эти мутации. Может быть, они позволят шиповидным белкам намного быстрее проникать в человеческие клетки и тогда вирус принесет человечеству много бед? Ученые только ждали и смотрели, что происходит. В будущем квантовые компьютеры, возможно, определят уровень летальности вируса посредством анализа мутаций в его шиповидных белках, — и тогда не придется неделями ждать, держа пальцы скрещенными.
В принципе, можно предсказать действие этого и других вирусов, зная их структуру. Сегодняшние цифровые компьютеры слишком примитивны, чтобы моделировать, как «омикрон» атакует организм человека. Но, зная точную молекулярную структуру вируса, мы, возможно, сумеем при помощи квантовых компьютеров смоделировать конкретное действие вируса на организм, чтобы знать заранее, насколько этот вирус опасен и как с ним бороться.
К счастью, на нашей стороне эволюция. Многие древние болезни, убившие в свое время значительную часть рода человеческого, такие как вирус испанки 1918 года, вероятно, по-прежнему с нами, но в мутированном виде, они теперь скорее локальны, нежели глобальны. Согласно теории эволюции, различные штаммы вируса конкурируют между собой. Поэтому всегда существует эволюционное давление, заставляющее вирусы становиться более заразными, чтобы победить в этом соревновании.
Так что каждое поколение мутировавших вирусов оказывается более заразным, чем предыдущее. Но если убивать слишком много людей, то хозяев для дальнейшего распространения останется недостаточно. Поэтому существует также эволюционное давление, заставляющее вирусы становиться менее летальными. Иными словами, чтобы сохранить активность, многие вирусы мутируют в направлении большей заразности, но меньшей летальности. Так что нам, возможно, придется просто научиться жить с вирусом COVID, но в менее летальной форме.
