Quando senti la parola 'quantum, " puoi immaginare i fisici che lavorano su una nuova teoria innovativa. O forse hai letto sui computer quantistici e su come potrebbero cambiare il mondo. Ma anche un campo meno conosciuto sta iniziando a raccogliere i benefici del regno quantistico:la medicina.

Nell'ambito del programma faro dell'UE sulle tecnologie quantistiche, in Europa si stanno sviluppando una serie di tecnologie quantistiche per trasformare una varietà di campi. La medicina in particolare sembra destinata a guadagnare, con diversi progetti ora in corso per vedere come potremmo migliorare l'imaging medico o rilevare alcune malattie più facilmente.

Uno di questi progetti è macQsimal, che utilizza piccoli dispositivi noti come sensori quantistici per rivoluzionare diverse aree:orologi atomici abilitati ai quanti, giroscopi, magnetometri, e misurazioni più precise della radiazione elettromagnetica e della concentrazione di gas. Il progetto, iniziata nell'ottobre 2018 spera di portare le loro idee sul mercato come alcune delle prime tecnologie abilitate ai quanti.

"L'obiettivo è mettere sul mercato prodotti come prototipi, " ha affermato il dott. Jacques Haesler del Centro svizzero di elettronica e microtecnologia (CSEM), il coordinatore del progetto per macQsimal. "Alla fine, (vogliamo) essere in grado di compiere ulteriori passi e poi commercializzare questi dispositivi. Ma dobbiamo anche pensare alla prossima generazione di sensori quantistici, che utilizzerà effetti quantistici più fantasiosi come l'entanglement o la sovrapposizione di stati".

Sensori quantistici

Un sensore quantistico è essenzialmente un dispositivo molto piccolo, forse le dimensioni di una zolletta di zucchero, che può effettuare misurazioni molto precise sfruttando la nota stranezza del mondo quantistico. Qui, le particelle sono collegate come una su grandi distanze, noto come coinvolgimento, o anche apparire in due posti contemporaneamente, noto come sovrapposizione.

Questo potrebbe essere particolarmente utile in cose come l'imaging cerebrale. Attualmente, Gli scanner per magnetoencefalografia (MEG) si basano su apparecchiature ingombranti che devono essere raffreddate con azoto liquido o elio liquido. Di conseguenza, le macchine non sono solo grandi, ma non possono avvicinarsi al cranio di una persona per misurare l'attività cerebrale, invece di misurare da lontano con l'aiuto di sensori.

"L'obiettivo è sostituire questi strumenti con una specie di casco su cui si possano mettere tutti i sensori, che puoi mettere sul cranio, in modo da poter migliorare la precisione della misurazione, " ha detto il dottor Haesler. "Potete quindi fare un casco con centinaia di sensori. Quindi puoi misurare in centinaia di punti diversi sul cranio da dove proviene il campo magnetico".

Il progetto macQsimal spera di dimostrare che può funzionare utilizzando i magnetometri che sta sviluppando. Riducendo drasticamente le dimensioni dell'attrezzatura, potrebbe essere possibile rilevare molto più facilmente le malattie nel cervello di una persona. La speranza è che entro cinque anni, la tecnologia che stanno sviluppando potrebbe essere utilizzata commercialmente.

Potrebbero esserci anche altri vantaggi, come l'imaging cardiaco, ovvero l'acquisizione di immagini del cuore per verificare la presenza di malattie, che potrebbero trarre grandi vantaggi da questi sensori più piccoli e più accurati, e anche la scoperta di farmaci, la ricerca di nuovi farmaci per affrontare determinate malattie. "Molto probabilmente ci sono molte più applicazioni in campo medico, " ha aggiunto il dottor Haesler.

Iperpolarizzazione

Studiando una tecnica quantistica chiamata iperpolarizzazione, altri ricercatori vogliono vedere se gli scanner MRI possono essere realizzati per essere molto più sensibili e precisi di quanto non lo siano ora. Questo è l'obiettivo di un progetto chiamato progetto MetaboliQS, iniziato anche nell'ottobre 2018.

"Stiamo fondamentalmente cercando di rendere la risonanza magnetica forse un fattore 10, 000 più sensibile, " ha affermato il Dr. Christoph Nebel del Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics in Germania, il coordinatore del progetto. "Utilizzando l'iperpolarizzazione delle biomolecole, che vengono iniettati, queste molecole sono sintonizzate per accumularsi in determinati tessuti. E se si accumulano, la risonanza magnetica può rilevare più facilmente cosa sta succedendo."

La risonanza magnetica iperpolarizzata comporta l'acquisizione di immagini osservando la fisica minuta delle cellule e delle molecole per vedere cosa sta succedendo all'interno del nostro corpo. Questo viene fatto utilizzando molecole di biomarcatori selettivi, che al momento necessitano di essere raffreddati a -270°C e poi riscaldati a temperatura corporea. Questo processo non solo richiede molto tempo, almeno 30 minuti, ma è anche estremamente costoso.

Ma usando sensori quantistici realizzati con diamanti, il team di MetaboliQS pensa di poter condurre l'intero processo con un leggero raffreddamento oa temperatura ambiente senza alcun raffreddamento. Ciò potrebbe consentire alle macchine per la risonanza magnetica di osservare più facilmente gli effetti sensibili al tempo nel corpo come il tessuto canceroso, e scattare anche immagini più dettagliate.

"Quando migliori le immagini vedi più dettagli, puoi distinguere tra malattia in fase iniziale o fase successiva, o tessuto morto, " ha detto il dottor Nebel. "Avere immagini migliori significa migliorare la tua comprensione medica".

Questo potrebbe aprire nuove strade anche per gli scanner MRI, come la ricerca sugli impianti o la comprensione di come si sviluppano le malattie nel corpo umano. E in caso di successo, L'imaging MRI potrebbe essere una delle prime aree sanitarie a beneficiare delle tecniche quantistiche già nel 2020. "L'iperpolarizzazione è sicuramente qualcosa che potrebbe essere la prima vera applicazione (medica) della tecnologia quantistica, " ha detto il dottor Nebel.

Condizioni di salute

Se questi progetti hanno successo, la gamma di condizioni che potrebbero affrontare è vasta. Il Dr. Haesler osserva che la demenza e l'Alzheimer potrebbero essere entrambi diagnosticati più facilmente con l'aiuto di scanner MRI più accurati. E l'imaging del cuore e del cervello ne trarrebbe beneficio, consentendo di vedere altri problemi con maggiore dettaglio.

"Con questi sensori quantistici che stiamo attualmente sviluppando, puoi rilevare abbastanza bene l'attività di nuovi neuroni, " ha detto il dottor Nebel. "Possiamo fondamentalmente indagare su molecole molto piccole, biosistemi. Questa è fondamentalmente una risonanza magnetica su scala nanometrica".

I prossimi passi ora saranno portare questi prodotti sul mercato, e dimostrando che possono essere commercializzati. E con l'aiuto del programma faro quantistico dell'UE, si spera che tecnologie come queste possano essere l'inizio di una nuova entusiasmante era quantistica che abbia un impatto diretto sulle nostre vite.

E questo non è solo nell'ambito della medicina. Il programma sta anche cercando modi per sviluppare orologi atomici migliori e altri dispositivi che potrebbero migliorare, Per esempio, come utilizziamo le nostre reti di telefonia mobile. Ma sono le applicazioni mediche che probabilmente arriveranno per prime, con implicazioni vitali per la nostra salute.

"In cinque anni, pensiamo che l'orologio atomico e il magnetometro dovrebbero entrare nel mercato, " ha affermato il dott. Haesler. "Stiamo lavorando anche alla seconda generazione di sensori, che sono più sensibili, e può entrare nel mercato in 15-20 anni."