I dag, någon med bröstcancer kan genomgå flera omgångar med kemoterapi och spendera månader i limbo innan medicinska skanningar kan visa om just den cocktailen av giftiga läkemedel minskar tumören.

Case Western Reserve University forskare arbetar för att ändra det. De har varit föregångare till ett nytt tillvägagångssätt som kallas Magnetic Resonance Fingerprinting, som använder mer känsliga skanningstekniker som de förväntar sig kan upptäcka om behandlingar fungerar efter bara en dos kemo.

"Vi tror att vi kan börja se dessa förändringar inom en vecka, jämfört med sex månader, "sade Mark Griswold, Case Western Reserve professor i radiologi och chef för MRI -forskning. "Det är verkligen viktigt för både patientresultat och livskvalitet, för om din kemoterapi inte fungerar, du förgiftade bara din kropp för ingenting. "

Den nya metoden har ett otroligt löfte, men att designa skanningarna för att snabbt och exakt diagnostisera sjukdom är ett oerhört utmanande beräkningsproblem som kräver innovativa tillvägagångssätt. Nu har Case Western Reserve -forskarna hittat en lösning på det problemet - och sett dramatiska förbättringar - med algoritmer som utvecklats av Microsofts kvantberäkningsteam.

Microsofts "kvantinspirerade" algoritmer, utformad för att dra nytta av framtida kvantdatorer, låna från kvantfysikens principer för att lösa extremt svåra beräkningsproblem. Men de kan också köra på klassiska datorer som är allmänt tillgängliga idag.

De har gjort det möjligt för Case Western Reserve-teamet att ta fram skanningar som är upp till tre gånger snabbare än tidigare toppmoderna tillvägagångssätt, samt genomsökningar som är nästan 30 procent mer exakta vid mätning av en nyckelidentifierare för sjukdom.

Dessa framsteg kan hjälpa läkare att upptäcka cancer och andra sjukdomar tidigare, utveckla nya läkemedel för tillstånd där det är svårt att mäta framstegen idag eller använda bildbehandling för att diagnostisera cancer snarare än att förlita sig på invasiva procedurer som biopsier.

Microsofts kvantinspirerade algoritmer är särskilt användbara för optimeringsproblem-som innebär att man söker igenom ett stort antal möjligheter för att hitta en optimal eller effektiv lösning-som är så komplexa och kräver så mycket datorkraft att nuvarande teknik kämpar för att lösa dem.

Typiska exempel kan vara att se till att trafiken flyter smidigt över ett helt storstadsområde, fördela grind- och asfaltutrymme på en upptagen internationell flygplats eller bestämma hur man på bästa sätt kan komplicera tillverkningsprocesser på många olika utrustningsdelar.

Förutom att förstärka Case Western Reserves arbete för att snabbare och mer pålitligt upptäcka cancer och andra sjukdomar, Microsofts kvantteam samarbetar också med Dubai Electricity and Water Authority, som använder kvantinspirerade algoritmer för att ta reda på hur man idealiskt balanserar resurser från olika energikällor över hela sitt elnät.

Willis Towers Watson, en global rådgivning, mäklar- och lösningsföretag, undersöker också hur Microsofts kvantinspirerade algoritmer kan förbättra de komplexa matematiska modellerna som företaget använder för att kvantifiera risker och informera investeringsstrategier.

Microsofts forskare utvecklade algoritmerna som en del av ett större försök att skapa branschens mest stabila och skalbara kvantdator med hjälp av kvantinformationspartiklar som kallas topologiska qubits. När det väl är byggt, forskarna säger att kvantberäkningsplattformen kan låta forskare göra beräkningar på några minuter som skulle ta nuvarande datorer miljarder år.

De kvantinspirerade algoritmerna simulerar hur dessa system fungerar men kan köras på befintliga datorer. I takt med att utvecklingen av en kvantdator för allmänt ändamål fortsätter, företag idag kan gå med i Microsoft Quantum Network för att få tillgång till nya kvantinspirerade tjänster som fungerar med Microsoft Azure och klassisk datorhårdvara som centrala processorenheter (CPU:er), grafikbehandlingsenheter (GPU) och fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA).

"Det visar sig att kvanttänkande och lärdomar från programmering av datorn har lett oss till ett genombrott som vi kan köra idag klassiskt, "sa Julie Love, Microsofts chef för kvantverksamhetsutveckling.

Det gör att Microsoft -teamet kan utveckla och påskynda kundlösningar inom vården, finanshantering, olje- och gas- och fordonsindustrin, Hon sa.

"Mer kraftfull hårdvara kommer, men dessa kvantframsteg sker nu, "Sa kärleken.

'Resultat som vi bara inte har kunnat se med något annat'

Som alla föräldrar vet, det är möjligt att lägga handen på ett barns panna och få en bra känsla av om han eller hon kan ha feber.

Men utan en termometer för att mäta temperaturen, det är svårare att fatta ett välgrundat beslut om vad man ska göra - om man ska vänta och se, behandla med medicin eller skynda till sjukhuset.

Magnetisk resonansfingeravtryck är en teknik för att ge läkare som tolkar en MR samma grad av kvantitativ precision över en rad vävnadsegenskaper, snarare än att förlita sig på erfarenhet för att subjektivt avgöra om ljusstyrkan eller färgen på ett visst område indikerar att vävnaden är sjuk eller frisk. Det används för närvarande på ett dussin akademiska medicinska centra, och mer utbredd adoption förväntas under kommande år, sa forskare.

"Miljoner och miljoner människor har räddats eller fått sina liv förbättrade av MRT, men i stort sett det vi har gjort hittills motsvarar att lägga handen på någons huvud, "sa Griswold." Den stora förändringen som fingeravtryck tillåter är att vi kan få siffrorna, som en temperaturavläsning, som gör att du direkt kan ställa en diagnos. "

Magnetisk resonans fingeravtryck, som har visat sig överträffa jämförbara kvantitativa MR -protokoll med en faktor 1,8, producerar numeriska mätningar av vävnadsegenskaper för varje pixel i en bild. Det uppnår detta genom att använda mycket mer invecklade pulssekvenser - ofarliga radiovågor som kombineras med magnetfält för att generera distinkta signaler från olika typer av fett, vävnad eller tumörer i en patients kropp.

Dessa datakrävande mönster jämförs sedan med ett stort bibliotek av vävnader med ett känt magnetiskt resonans "fingeravtryck" som kan beräknas direkt från fysiksimuleringar. Med tillräcklig precision, en mönstermatch ensam kan användas för att diagnostisera tjocktarms- eller hjärncancer, att skona patienter från smärtsamma eller invasiva diagnostiska förfaranden.

Och vid tillstånd som multipel skleros och epilepsi, fingeravtrycksskanningarna kan upptäcka förändringar i hjärnan som är osynliga med konventionella metoder men ändå är mer kliniskt meningsfulla än de som läkare kan se idag. Det kan hjälpa till att bättre förutsäga hur sjukdomen kommer att utvecklas hos en patient eller avgöra om nya läkemedel är effektiva för att bekämpa sjukdomar som det för närvarande inte finns någon bra mått på framgång.

Tricket med fingeravtryck med magnetisk resonans är att räkna ut vilket av det exponentiellt stora universum av möjliga pulssekvenser som kommer att producera skanningar snabbt och med tillräckligt noggrannhet för att skilja mellan frisk vävnad och olika manifestationer av sjukdom. Eftersom varje sekvens består av många individuella pulser som var och en kan variera efter vinkel, intensitet eller varaktighet, Antalet potentiella sekvenser för komplexa förvärv är enormt - som rivaliserar antalet atomer i det synliga universum.

"Mycket snabbt blir detta ett problem med så många möjligheter som alla är kopplade till varandra att traditionella optimeringsmetoder verkligen kämpar för att lösa det på något realistiskt sätt, "Griswold sa." Det finns unika fördelar med de kvantinspirerade algoritmerna som gör att vi kan få resultat som vi bara inte har kunnat se med något annat. "

De pulssekvenser som valts av Microsofts optimeringsalgoritmer har gett skanningar upp till tre gånger snabbare än tidigare - vilket skulle öka genomströmningen, sänka kostnaderna och förbättra tillgången till en potentiellt livräddande diagnos, särskilt i områden som har månader lång väntan på MR.

Och den cirka 30 procents ökade precisionen för T2 -mätningar, som kan vara en viktig identifierare av sjukdom, kan betyda skillnaden mellan att fånga en tumör tidigt och att inte se den förrän lovande behandlingsalternativ är begränsade.

"Vi har kunnat visa riktigt betydande vinster som går långt utöver att bara finjustera systemet lite, "sa Griswold, som också fungerar som fakultetsdirektör för Case Western Reserves Interactive Commons. "Jag känner att de kvantinspirerade algoritmerna och kvantdatorn bokstavligen kommer att ge oss nästa kvantsprång. Du kommer aldrig att få de enorma förändringarna i ditt företag genom att göra saker på samma gamla sätt."

Upptäck kvantinspirerade algoritmer

I en kvantdator, de unika egenskaperna hos qubits - i synnerhet deras förmåga att hålla värdet 0 och 1 samtidigt - låta dem bearbeta information exponentiellt snabbare och eventuellt hitta lösningar på problem kring klimatförändringar och hunger i världen som helt enkelt inte är möjliga idag. Men eftersom kvantpartiklarna är notoriskt finkorniga och instabila, Microsoft arbetar med att utveckla mer tillförlitliga och skalbara qubits som kan stödja en fullständig kvantberäkningsplattform.

En annan typ av maskin som kallas en kvantglödgare använder andra tankböjande egenskaper hos kvantpartiklar för att utföra en enda uppgift:lösa optimeringsproblem med massor av komplicerade variabler och begränsningar.

"När jag pratar med företagskunder, dessa hårda optimeringsproblem kommer upp igen och igen och igen, "sa Microsofts kärlek." Jag kan ha ett rum fullt av människor inom finansiella tjänster, läkemedel, olja och gas, bil, industri eller kemiska företag och du kommer att höra alla säga, 'Herregud, ja, ja, Jag har dessa. '"

Ursprungligen undersökte forskare bara hur kvantglödgare fungerade, så de utvecklade algoritmer för att simulera vad som hände inuti. Av en slump, de bestämde sig för att testa sina klassiska men kvantinspirerade algoritmer på ett populärt optimeringstest och upptäckte att de blåste bort andra lösningar.

"Det var en av de sakerna där du tror att du gör ett vetenskapsprojekt om ett ämne och du upptäcker något vid sidan om och inser att det är mycket mer spännande, "sade Stephen Jordan, en senior forskare från Microsoft som nu arbetar med att tillämpa kvantinspirerade algoritmer på verkliga affärs- och forskningsproblem.

"Det gjorde stor uppståndelse bland optimeringsfolk som var som, 'Vem är dessa killar från ingenstans? De är inte ens datavetare! De är kvantfysiker som har dessa galna algoritmer som är mycket bättre, '" han sa.

För att lösa optimeringsproblem, datorer letar efter en lösning som kräver lägsta ansträngning eller kostnad. I vissa fall, fastän, det är som en bergsklättrare som försöker hitta den absolut lägsta punkten i en okänd, mycket oregelbunden, bergigt landskap.

När han eller hon når en viss dal, det finns inget sätt att veta om det finns en lägre punkt över nästa berg. Och att ta reda på det kräver en enorm mängd energi för att klättra upp och över nästa branta kulle. Så de kan bestämma att det inte är värt det och fastna där - aldrig hitta den lägsta punkten eller bättre lösning.

Kvantpartiklar har en unik egenskap som, i detta exempel, låter dem enkelt tunnel genom berget för att upptäcka vad som är på andra sidan. Genom att efterlikna denna tunnelförmåga, Microsofts kvantinspirerade algoritmer kan lösa optimeringsproblem på helt nya sätt-med hjälp av hårdvara som är allmänt tillgänglig.

Och när en fullfjädrad kvantdator byggd på stabila topologiska qubits blir tillgänglig, samma algoritmer kommer att bli ännu kraftfullare, sa Matthias Troyer, Microsofts främsta forskare inom kvantberäkningsteamet.

"Vilken som helst av de kvantinspirerade algoritmerna kan accelereras ytterligare på kvantmaskinvara. Genom att köra dem på klassisk hårdvara, vi får inte alla fördelar ännu, "Troyer sa." Det här är inte bara en klassisk engångsföreteelse. Det är helt på väg till kvantberäkning. "