När du hör ordet kvant, "du kan tänka dig att fysiker arbetar med en ny banbrytande teori. Eller kanske har du läst om kvantdatorer och hur de kan förändra världen. Men ett mindre känt område börjar också dra nytta av kvantområdet:medicin.

Som en del av EU:s Quantum Technologies Flagship -program, ett antal kvanttekniker utvecklas i Europa för att omvandla en mängd olika områden. Särskilt medicin ser ut att vinna, med flera projekt på gång för att se hur vi lättare kan förbättra medicinsk bildbehandling eller upptäcka vissa sjukdomar.

Ett av dessa projekt är macQsimal, som använder små enheter som kallas kvantsensorer för att revolutionera flera områden-kvantaktiverade atomklockor, gyroskop, magnetometrar, och mera exakt elektromagnetisk strålning och gaskoncentration. Projektet, som började i oktober 2018, hoppas kunna föra ut sina idéer på marknaden som några av de första kvantaktiverade teknikerna.

"Målet är att sätta produkter som prototyper på marknaden, "sa Dr Jacques Haesler från Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM), projektkoordinatorn för macQsimal. "I slutet, (vi vill) kunna ta ytterligare steg och sedan kommersialisera dessa enheter. Men vi måste också tänka på nästa generation av kvantsensorer, som kommer att använda mer snygga kvanteffekter som trassel eller överlagring av tillstånd. "

Kvantsensorer

En kvantsensor är i huvudsak en mycket liten enhet, kanske storleken på en sockerbit, som kan göra mycket exakta mätningar med hjälp av den kända konstigheten i kvantvärlden. Här, partiklar länkas som en över stora avstånd, kallas förträngning, eller till och med visas på två ställen samtidigt, känd som superposition.

Detta kan vara särskilt användbart i saker som hjärnbildning. För närvarande, Magnetoencefalografiska (MEG) skannrar förlitar sig på skrymmande utrustning som måste kylas av flytande kväve eller flytande helium. Som ett resultat, maskinerna är inte bara stora, men de kan inte gå nära en persons skalle för att mäta hjärnaktivitet - istället mäta på avstånd med hjälp av sensorer.

"Målet är att ersätta dessa instrument med en slags hjälm som du kan sätta alla sensorer på, som du kan sätta på skallen, så att du kan förbättra mätningens noggrannhet, "sa Dr Haesler." Du kan sedan göra en hjälm med hundratals sensorer. Så då kan du mäta vid hundratals olika punkter på skallen där magnetfältet kommer ifrån. "

MacQsimal -projektet hoppas kunna bevisa att detta kan fungera med hjälp av de magnetometrar som det utvecklar. Genom att drastiskt minska utrustningens storlek, det skulle vara möjligt att mycket lättare upptäcka sjukdomar i en persons hjärna. Förhoppningen är att inom fem år, tekniken de utvecklar kan användas kommersiellt.

Det kan också finnas andra fördelar, till exempel hjärtavbildning - att ta bilder av hjärtat för att söka efter sjukdomar - vilket skulle kunna ha stor nytta av dessa mindre och mer exakta sensorer, och upptäckt av läkemedel också - att hitta nya läkemedel för att hantera vissa sjukdomar. "Förmodligen finns det mycket fler applikationer inom det medicinska området, "tillade doktor Haesler.

Hyperpolarisering

Genom att undersöka en kvantteknik som kallas hyperpolarisering, andra forskare vill se om MR -skannrar kan bli mycket känsligare och mer exakta än de är nu. Detta är syftet med ett projekt som heter MetaboliQS -projekt, startade också i oktober 2018.

"Vi försöker i princip att göra MR kanske en faktor 10, 000 känsligare, "sa Dr. Christoph Nebel från Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics i Tyskland, projektkoordinatorn. "Med hjälp av hyperpolarisering av biomolekyler, som injiceras, dessa molekyler är inställda för att ackumuleras i viss vävnad. Och om de ackumuleras, MR kan lättare upptäcka vad som händer. "

Hyperpolariserad MRI innebär att man tar bilder genom att titta på cellernas och molekylernas fysik för att se vad som händer inuti vår kropp. Detta görs med hjälp av selektiva biomarkörsmolekyler, som för närvarande måste kylas till -270 ° C och sedan värmas upp till kroppstemperatur. Denna process tar inte bara lång tid - minst 30 minuter - den är också extremt kostsam.

Men med hjälp av kvantsensorer gjorda med diamanter, MetaboliQS -teamet tror att de kan genomföra hela processen med mild kylning eller vid rumstemperatur utan kylning alls. Detta kan göra det möjligt för MR-maskiner att lättare observera tidskänsliga effekter i kroppen såsom cancervävnad, och ta även mer detaljerade bilder.

"När du förbättrar bilderna ser du mer information, du kan skilja mellan tidigt skede eller senare skede, eller död vävnad, "sa Dr Nebel." Att ha bättre bilder betyder att du gör din medicinska förståelse mycket bättre. "

Detta kan också öppna nya vägar för MR -skannrar, till exempel forskning om implantat eller förståelse för hur sjukdomar utvecklas i människokroppen. Och om det lyckas, MR -avbildning kan vara ett av de första hälsoområdena som dra nytta av kvanttekniker redan 2020. "Hyperpolarisering är definitivt något som kan vara den första riktiga (medicinska) tillämpningen av kvantteknik, sa Dr Nebel.

Hälsotillstånd

Om dessa projekt är framgångsrika, utbudet av villkor som de kan hantera är stort. Dr Haesler konstaterar att demens och Alzheimers båda lättare kan diagnostiseras med hjälp av mer exakta MR -skannrar. Och hjärta- och hjärnbildning skulle gynnas, så att andra frågor kan ses med finare detaljer.

"Med dessa kvantsensorer utvecklar vi för närvarande, du kan upptäcka ny neuronaktivitet ganska bra, "sa Dr Nebel." Vi kan i princip undersöka mycket små molekyler, biosystem. Detta är i grunden MR på nanoskala. "

Nästa steg nu kommer att vara att föra ut dessa produkter på marknaden, och bevisar att de kan kommersialiseras. Och med hjälp av EU:s kvantflaggskipprogram, man hoppas att sådana här tekniker kan vara början på en spännande ny kvanttid som har en direkt inverkan på våra liv.

Och det är inte bara inom medicinens område. Programmet tittar också på sätt att utveckla bättre atomur och andra enheter som kan förbättra, till exempel, hur vi använder våra mobiltelefonnätverk. Men det är de medicinska tillämpningarna som sannolikt kommer först, med viktiga konsekvenser för vår hälsa.

"På fem år, vi tycker att atomklockan och magnetometern borde komma in på marknaden, "sa Dr Haesler." Vi arbetar också med andra generationens sensorer, som är mer känsliga, och kan komma in på marknaden om 15 till 20 år. "