量子時代，顛覆醫(yī)療行業(yè)的四大變革

《量子霸權》

〔美〕加來道雄 著

蘇京春 譯

中信出版集團

2024年6月

建立預警系統(tǒng)：預防疫情蔓延

從新冠肺炎病毒變種出現的那一刻算起，目前我們需要數周的時間才能發(fā)出有效警報。在此期間，病毒已經毫無預警地逃逸到人類的生態(tài)系統(tǒng)中了。對病毒的預警延遲幾周，就完全有可能使病毒多傳染給數百萬人。

追蹤流行病的一種方法是在世界各地的下水道系統(tǒng)中安裝傳感器。通過污水分析可以很容易地識別病毒，尤其是在擁擠的城市地區(qū)。快速抗原檢測可以在大約15分鐘內就發(fā)現病毒的暴發(fā)。然而，來自數百萬個下水道系統(tǒng)的數據可能會讓數字計算機不堪重負。

如果是量子計算機就完全不同了，它們非常擅長分析堆積如山的數據，并能夠成功分析出最關鍵的數據。現在，美國的一些社區(qū)已經在下水道系統(tǒng)中插入預警系統(tǒng)傳感器了。

同樣，量子計算機還能在疫情暴發(fā)時進行實時監(jiān)測。人類應該可以開發(fā)出能夠檢測懸浮在空氣中的病毒氣溶膠的傳感器。在新冠肺炎疫情開始時，政府官員斷言，與他人保持6英尺的距離足以防止病毒的傳播。他們聲稱，傳播主要是通過咳嗽和打噴嚏產生的大飛沫進行的。

現在大家已經知道這個結論是不正確的。對病毒的實際研究表明，打噴嚏后的氣溶膠粒子可以將病毒攜帶至20英尺或更遠。事實上，最新觀點認為，病毒傳播的主要方式之一正是通過人們簡單交談時產生的氣溶膠。在室內與唱歌、吟誦和大聲說話的人坐在一起超過15分鐘，都可能成為導致病毒傳播加速的原因。

因此，在未來，放置在室內的傳感器網絡或許能夠檢測到空氣中的氣溶膠，然后將結果發(fā)送給量子計算機，量子計算機可以分析這一龐大的信息庫，以找到下一次疫情的早期預警信號。

在確定病毒變異時的特性方面，量子計算機也可能被證明是至關重要的。例如，大約在2021年11月，新冠病毒的變種奧密克戎出現了，在其基因組被測序之后，警鐘立即響起。奧密克戎有50個突變，這使它比德爾塔病毒更具傳播性。但科學家無法準確確定這些突變會造成多大的危害。

但在未來，量子計算機可能會通過分析病毒刺突蛋白的突變來直接確定病毒的致命性，而不是無奈地等上幾周的時間。我們一旦知道了這種病毒和其他病毒的結構，就可以預測疾病的病程。數字計算機實在太原始，根本無法模擬出像奧密克戎這樣的病毒攻擊人體的過程。然而，我們一旦知道了病毒的精確分子結構，就可以使用量子計算機來模擬病毒對身體的特定影響，從而提前知道它的危險性以及該如何對抗它。

完善免疫療法：減少癌癥“殺手”

目前，一旦發(fā)現癌癥，一般會用三種主要治療方法：手術治療（切除腫瘤）、放射治療（用X射線或粒子束殺死癌細胞）、化療（毒害癌細胞）。但隨著基因工程的出現，一種新的治療方式正在得到廣泛應用：免疫療法。這種治療有幾個版本，但從思路上來看，這幾種方法都在試圖通過尋求人體自身免疫系統(tǒng)的幫助來達成治療效果。

免疫治療已用于膀胱、腦、乳腺、宮頸、結腸、直腸、食道、腎臟、肝臟、肺、淋巴、皮膚、卵巢、胰腺、前列腺、骨骼、胃的癌癥，以及白血病，均取得了不同程度的成功。

但這種方法也不是沒有缺點的。一個缺點是，這種方法只對數千種不同類型的癌癥中的一部分有效；另一個缺點是，由于白細胞的基因是通過人為手段改變的，所以這種改變可能并不能保證完美。存在不完美之處就有可能造成不必要的副作用。而事實表明，這些副作用對具體的個體而言有時可能是致命的。

然而，量子計算機或許能夠有效完善這種療法。量子計算機應該能夠全面分析這些原始數據，從而幫助我們確定每個癌細胞的遺傳基因。這是一項艱巨的任務，其工作量會使任何一臺傳統(tǒng)計算機都不堪重負。

通過對美國的每個公民的體液進行分析，計算機可以每月多次讀取這些基因組數據，既穩(wěn)定又高效。這些基因組如果是整個都被測序的話，那么計算機針對每個人的工作量都是2萬多個基因。然后，還要將這些基因與已經研究出來的數千種可能的癌癥基因一一進行比較。這些原始數據的數量非常龐大，需要通過多臺量子計算機來分析。但這項工作對人類的利好也是巨大的：可怕的癌癥“殺手”會顯著減少。

重組人體蛋白：尋找治愈不治之癥的線索

過去，人工智能的研發(fā)都是在數字計算機的基礎上開展和完成的，因此受限于計算機功能令人沮喪的極限。但人工智能和量子計算機卻是相輔相成的。人工智能有能力學習新的復雜任務，而量子計算機完全可以滿足在這個過程中所需的計算能力。

量子計算機雖然具有強大的計算能力，但它們不一定能從錯誤中吸取教訓。而如果量子計算機配備了神經網絡，它們就能夠在每次迭代之后持續(xù)改進自己的計算方法，從而通過尋找新的解決方案來更快、更有效地解決問題。同樣，人工智能系統(tǒng)或許可以從錯誤中吸取教訓，但如果它們的總計算能力太小，勢必無法解決非常復雜的問題。因此，一個擁有量子計算機計算能力的人工智能當然可以解決更多難題。

比如，由于缺乏算力的支撐，人工智能技術基本已經陷入停滯狀態(tài)。無論是在機器學習、模式識別、搜索引擎，還是在機器人制造等方面，人工智能技術都受到算力的限制。量子計算機可以極大地加速這些領域的進展，因為它們可以同時處理大量的信息。數字計算機只能一個比特接一個比特地進行計算，但量子計算機則可以在一個巨大量子位陣列上進行同時計算，從而指數級放大其計算能力。

眾所周知，蛋白質是生物功能的主力。它們不僅構成給人體提供能量的肌肉，還幫助人體消化食物、攻擊細菌、調節(jié)身體功能，并完成許多其他關鍵任務。而與蛋白質分子形狀息息相關的問題是“蛋白質折疊問題”，即繪制所有重要蛋白質形狀的任務，它可能會解開許多不治之癥的秘密。

使用計算機僅通過觀察蛋白質的化學成分來解開蛋白質的3D（三維）結構。也許經過多年的努力，人類對蛋白質分子結構的理解，將可以通過按下運行著人工智能程序的量子計算機上的按鈕來完成。

蛋白質的工作方式取決于它們的結構。就像鑰匙能插入鑰匙孔一樣，蛋白質也能通過某種方式鎖住另一個分子，從而發(fā)揮其魔力。而許多不治之癥都與錯誤折疊的蛋白質有關。朊病毒可能與一系列影響老年人的不治之癥有關，如阿爾茨海默病、帕金森病和肌萎縮側索硬化，所以現在一個很有希望的途徑就是通過了解朊病毒的性質來進一步探索解決這些病癥。由此，找到治愈這些不治之癥的方法可能來自量子計算機。

修復DNA損傷：逆轉衰老

量子計算機可能能夠創(chuàng)造兩種永生：生物永生和數字永生。

根據熱力第二定律，衰老主要是由分子、遺傳基因和細胞水平上的錯誤積累引起的。也就是說，最終，第二定律的速度比我們熵值逆轉的速度更快，從而導致這種在我們的細胞和DNA中的錯誤積累得以呈現。我們的皮膚細胞開始失去彈性并形成皺紋，器官功能開始不正常甚至功能衰竭，神經元也會失靈從而導致我們忘記事情，還可能會患上癌癥。簡言之，我們會一直持續(xù)衰老，直至死亡。

熱量限制如何修復氧化造成的分子損傷？熱量限制可能會減緩氧化過程，使身體有可能自然修復其造成的損傷，但身體首先是如何修復DNA損傷的呢？

在不久的將來，大多數人的基因組將被測序，并被納入一個龐大的全球基因庫。這個巨大的基因信息庫可能會讓傳統(tǒng)的數字計算機不堪重負，但分析大量數據正是量子計算機的專長。這可能使科學家能分離出受衰老過程影響的基因。例如，科學家可以分析年輕人和老年人的基因，并對二者進行比較。通過這種方式，大約100個衰老集中的基因已經被識別出來了。事實證明，這些基因中的許多都參與了氧化過程。

未來，量子計算機將分析更多的基因數據。這將有助于我們了解大多數遺傳和細胞錯誤是在哪里積累的，以及哪些基因可能真正控制衰老過程的各個方面。

量子計算機不僅可以分離出大多數衰老發(fā)生的基因，還可以做相反的事情：分離出在異常衰老但健f7b9cc739260556fde29ea1dd9e2ba91康的人身上發(fā)現的基因。人口統(tǒng)計學家知道，有些人是超級老年人，他們似乎戰(zhàn)勝了困難，過著壽命比預期長得多的更健康、更富足的生活。因此，量子計算機通過分析大量原始數據，可能會發(fā)現表明免疫系統(tǒng)異常健康的基因，從而使老年人避免罹患可能使其崩潰的疾病，幫助其壽終正寢。

除了生物永生，我們還有可能使用量子計算機實現數字永生。我們的大多數祖先在生活和死亡時都沒有留下他們存在的痕跡。但今天，我們留下了令人生畏的數字足跡。僅憑我們的信用卡交易記錄，就可以合理地了解我們的歷史、個性、好惡。每一次購買、度假、體育賽事或禮物都被記錄在電腦中。甚至在我們自己毫無意識的情況下，我們的數字足跡就已經塑造出了我們究竟是誰的鏡像。

未來，這些海量的信息可以讓我們對自己的人格進行數字化的重塑。你將不需要坐在電視攝像機前進行數字化。我們會在不知不覺中，不假思索地用手機的攝像頭來記錄我們的日常活動和生活。從某種意義上說，我們的數字自我將永遠不會消亡。

（本文摘自《量子霸權》；編輯：許瑤）