Công nghệ lượng tử: Bước đột phá thay đổi ngành khoa học sự sống

Nhật Bản đang dẫn đầu trong việc ứng dụng công nghệ lượng tử vào sản xuất bán dẫn

Bước đột phá lớn trong lĩnh vực y học tâm thần với loại thuốc mới mang tên Cobenfy

Ứng dụng hiệu quả dược lâm sàng và vật lý y khoa trong điều trị ung thư đa mô thức

Các chuyên gia y tế kỳ vọng điện toán lượng tử sẽ rút ngắn đáng kể thời gian từ nghiên cứu đến ứng dụng lâm sàng. Ảnh: TechCrunch

Tốc độ xử lý nhanh hơn máy tính thông thường, được nhắc đến như lợi thế lớn nhất của điện toán lượng tử. Nhưng với các chuyên gia trong ngành khoa học sự sống, đó chưa phải điều quan trọng nhất. Điều thực sự mang tính cách mạng nằm ở những ứng dụng mà công nghệ này có thể tạo ra trong đời sống - đặc biệt trong lĩnh vực khoa học sự sống và y tế.

"Chúng ta cần nhìn nhận điện toán lượng tử không chỉ là xử lý nhanh hơn, mà là một sự thay đổi hoàn toàn về mô hình - cách dữ liệu được thao tác và mô phỏng để hiểu thế giới vật lý vận hành như thế nào", tiến sĩ Martin De Saulles, chuyên gia phân tích chính tại Information Matters.

Đột phá ngành dược: Thử - sai - mô phỏng chính xác

Trong số các ứng dụng được các chuyên gia nhắc đến, phát triển thuốc nổi bật nhất. Tiến sĩ De Saulles chỉ ra rằng việc ứng dụng "tính song song lượng tử" để tạo ra "bản sao kỹ thuật số" của phân tử là một bước ngoặt lớn trong ngành dược phẩm. Theo ông, việc dự đoán chính xác cách một phân tử thuốc tương tác với nước và protein trong cơ thể là điều bất khả thi với siêu máy tính thông thường. Giải quyết được bài toán "hiệu ứng cánh bướm" này sẽ giúp các nhà nghiên cứu nhận biết thất bại sớm, tiết kiệm nhiều năm tốn kém trong việc thử nghiệm lâm sàng.

Javier Campos, nhà nghiên cứu an toàn AI và Giám đốc Công nghệ tại Peach, lý giải thêm rằng máy tính truyền thống vốn gặp khó khăn khi mô phỏng hành vi của các phân tử phức tạp, độ phức tạp tính toán tăng theo cấp số nhân với mỗi hạt nguyên tử được thêm vào. Điều này bắt buộc các nhà khoa học phải dựa vào dữ liệu thực nghiệm và các phân tử tương tự, thay vì thiết kế thuốc từ nguyên lý cơ học lượng tử.

Máy tính lượng tử khai thác những hiện tượng đặc trưng của cơ học lượng tử, chẳng hạn khả năng tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc và sự liên kết đặc biệt giữa các hạt. Nhờ đó, nó có thể mô phỏng các tương tác protein, hoạt động xúc tác của enzyme và quá trình gấp cuộn của phân tử với độ chính xác mà các phương pháp tính toán truyền thống khó làm được.

Gene de Libero, chuyên gia tư vấn tại Digital Mindshare LLC, bổ sung rằng mô phỏng phân tử lượng tử còn giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về cơ chế bệnh sinh và phương pháp điều trị, giảm đáng kể sự phụ thuộc vào thử nghiệm dò truyền thống.

Trên thực tế, Oxford Ionics - công ty spin-off từ Đại học Oxford, nay thuộc IonQ đang tiên phong ứng dụng công nghệ này trong nghiên cứu phát hiện thuốc, một ví dụ điển hình về sự hợp tác chặt chẽ giữa học thuật và công nghiệp tại Anh.

Ảnh minh họa Công nghệ lượng tử (quantum computing)

Chẩn đoán bệnh nhanh hơn, chính xác hơn nhờ cảm biến lượng tử

Ngoài lĩnh vực phát triển thuốc, công nghệ lượng tử còn hứa hẹn thay đổi căn bản cách bác sĩ chẩn đoán bệnh.

Daniel Jacobs, nhà sáng lập kiêm CEO của Starkhorn, nêu ví dụ cụ thể về bệnh tim - nguyên nhân gây tử vong cho khoảng 20 triệu người mỗi năm trên thế giới. Theo ông, điện tâm đồ (ECG) - công cụ chẩn đoán phổ biến nhất hiện nay, đôi khi bỏ sót dấu hiệu sớm của thiếu máu cục bộ cơ tim do nhiễu từ các mô xung quanh. Trong khi đó, kỹ thuật "từ tim đồ lượng tử" (quantum magnetocardiography), sử dụng máy đo từ trường được bơm quang học, có thể đo trực tiếp các trường từ cực nhỏ của tim với độ nhạy và độ đặc hiệu đạt khoảng 80% trong việc phát hiện thiếu máu cơ tim.

Tom Allen, nhà sáng lập The AI Journal, nhận định: cảm biến lượng tử có thể thu nhận các tín hiệu cực yếu từ cơ thể mà thiết bị hiện tại không nhận ra. Đồng nghĩa với việc bác sĩ có thể phát hiện bệnh sớm hơn, theo dõi đáp ứng điều trị theo thời gian thực và thực hiện tất cả những điều này qua các phương pháp ít xâm lấn hơn.

Đặc biệt, theo Allen, công nghệ này có thể mở đường cho thiết bị đeo tay hoặc thiết bị đặt cạnh giường bệnh nhân thay thế các máy chụp chiếu cồng kềnh và đắt tiền hiện nay. Về lâu dài, cảm biến lượng tử có thể được tích hợp vào các thiết bị đeo tay tiêu dùng, như đồng hồ thông minh hay nhẫn thông minh, giúp theo dõi liên tục các thay đổi tinh vi về hoạt động tim, não hoặc hoạt động chuyển hóa, cung cấp cảnh báo sức khoẻ sớm hơn nhiều so với smartwatch hiện đại.

Đúng thuốc, đúng liều, đúng người

Ngoài chẩn đoán và phát triển thuốc, công nghệ lượng tử còn được kỳ vọng thay đổi cách bác sĩ lựa chọn phác đồ điều trị cho từng bệnh nhân.

Peter Nichol, chuyên gia phân tích dữ liệu của Nestlé Health Science tại Bắc Mỹ, nhấn mạnh rằng sức mạnh thực sự của điện toán lượng tử bộc lộ khi số lượng tổ hợp khả năng trở nên cực kỳ phức tạp, ví dụ như tối ưu hoá liều dùng thuốc dựa trên hàng chục biến số sinh học của mỗi cá nhân.

Oreoluwa Adesanya, kỹ sư kiêm chuyên gia an ninh mạng trong lĩnh vực nghiên cứu AI, cho rằng điện toán lượng tử có thể phân tích các tập dữ liệu di truyền (gene) khổng lồ nhanh hơn nhiều so với hệ thống thông thường, từ đó cho phép phát hiện bệnh sớm hơn và đề xuất chiến lược điều trị hợp lý.

"Điều này mang tính đột phá vì nó dịch chuyển y tế từ mô hình phản ứng sang mô hình dự báo và phòng ngừa", Oreoluwa Adesanya nhận xét.

Chính phủ Anh đầu tư bài bản cho cuộc đua lượng tử

Đằng sau những ứng dụng đầy hứa hẹn này là một hệ sinh thái lượng tử được Chính phủ Anh xây dựng có chủ đích. Trung tâm Điện toán Lượng tử Quốc gia (NQCC), được tài trợ bởi tổ chức UK Research and Innovation, phối hợp với doanh nghiệp, chính phủ và giới học thuật để công nghệ lượng tử ra ứng dụng thực tiễn.

Những khoản đầu tư này đã giúp Anh giữ vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực lượng tử toàn cầu, tạo ra động lực thúc đẩy các đột phá trong khoa học sự sống và nhiều ngành công nghiệp khác.

Sự hội tụ giữa điện toán lượng tử, cảm biến lượng tử và y học cá nhân hoá đang đặt nền móng cho một cuộc cách mạng mà các chuyên gia tin sẽ kéo dài tuổi thọ và cải thiện chất lượng sống cho hàng triệu người trên toàn cầu.