Potenziale der Quantentechnologie für die Gesundheitsversorgung

Birgt die Quantentechnologie Potenziale für die Gesundheitsversorgung und die Medizin? Was ist Vision, was tatsächlich umsetzbar? Darüber diskutierten die Teilnehmer des Luncheon Roundtables im Oktober.

Zu den Teilnehmern gehörten:

Prof. Jens Anders, Universität Stuttgart, Director of the Institute of Smart Sensors
Dr. Martin Garbos, Physiker, Netzwerk- und Projektmanager EurA AG
Dr. Lars Jaeger, Physiker und Wissenschaftsjournalist, Schweiz; Autor u.a. „Mehr Zukunft wagen“ und „Die zweite Quantenrevolution – Vom Spuk im Mikrokosmos zu neuen Supertechnologien“
Manouchehr Shamsrizi, Beirat bei www.thequantumchapter.de

sowie von der Stiftung Münch Professor Boris Augurzky (Vorstandsvorsitzender), Dr. Johannes Gruber (Geschäftsführer) und Annette Kennel (operative Geschäftsführerin).

Im Oktober verkündete Google, dass es gelungen sei, mit seinem Quantencomputer erstmals Berechnungen schneller als ein herkömmlicher „Supercomputer“ erfolgreich abgeschlossen zu haben. Demnach könne der Quantencomputer Scyamore in 200 Sekunden eine Berechnung durchführen, für die der schnellste Supercomputer der Welt 10 000 Jahre gebraucht hätte*[1]. Damit sei die Quantenüberlegenheit bewiesen. Skeptische Stimmen, insbesondere von IBM, stellen dies jedoch in Frage[2].

Doch der Quantencomputer ist nur ein Teilgebiet, in dem die Quantentechnologie zum Einsatz kommen kann. Weitere Felder sind die Sensorik, die Kommunikation und die Simulation[3], die – anders als der Quantencomputer – möglicherweise schon in naher Zukunft nutzbar sein könnten.

„Die Quantenphysik mag bizarr sein, aber nicht alles Bizarre ist Quantenphysik“

Die Physik, die dahintersteht, ist für Laien schwer begreiflich. Quanten sind die kleinsten Bausteine der Welt und sie besitzen äußerst bizarre Eigenschaften, die dem gesunden Menschenverstand widersprechen. Albert Einstein hatte erkannt, dass Licht sowohl Welle als auch Teilchen sein kann. Dazu kam die Unschärferelation des Nobelpreisträgers Werner Heisenberg, nach der der Aufenthaltsort und die Geschwindigkeit eines Teilchens nicht gleichzeitig bestimmt werden können. Insbesondere ist der Aufenthaltsort vor der Messung unbestimmt: ein Quant kann sich an mehreren Stellen mit gewisser Wahrscheinlichkeit gleichzeitig aufhalten. Damit verlieren Alltagsbegrifflichkeiten ihre Gültigkeit. Mithin ist „die Quantenphysik der größte philosophische Durchbruch des Jahrhunderts“, wie es ein Teilnehmer der Diskussionsrunde ausdrückte.

Welche Möglichkeiten bietet die Anwendung der Quantentechnologie in der Medizin?

Auch wenn die Quantenphysik weit entfernt vom Alltag erscheint, bietet sie mit ihren verschiedenen Bereichen doch große Chancen für die Medizin, insbesondere für die Präzisionsmedizin. Denn sie ermöglicht es zum Beispiel, große Datenmengen zu verarbeiten und hochspezifische und empfindliche Sensoren herzustellen. Gerade die Potenziale in der Sensorik werteten einige Teilnehmer der Diskussion als äußerst vielversprechend. Hier gibt es bereits heute Einsatzmöglichkeiten und die Teilnehmer waren sich einig, dass in drei bis sechs Jahren Fortschritte gemacht werden, die Eingang in die Versorgung halten. Nötig für die Einführung in die Praxis sei insbesondere die Entwicklung „von groß nach klein“: „Wir müssen die Effekte aus dem Physiklabor in kleine Boxen packen, damit sie in Klinik und Industrie angewendet werden können“, formulierte es ein Teilnehmer.

Quantensensorik bietet großes Potenzial für MRT und Labordiagnostik

Quantensensorik macht es möglich, kleinste Energieunterschiede zu messen. Sie übertragen das, was sie messen in Änderungen von Frequenzen – und diese können sehr genau aufgelöst und gemessen werden. Es wird damit möglich, Moleküle und ihre chemische Zusammensetzung sichtbar zu machen. Dies kann etwa bei der Durchführung von MRT-Untersuchungen bzw. PET-CTs die Diagnostik revolutionieren. Die Patienten erhalten einen veränderten („hyperpolarisierten“) Zucker, der sich – analog zu den Markern bei der gängigen PET-CT-Untersuchung – im aktiven Gewebe ansammelt. Doch durch Quantensensorik kann zugleich die chemische Zusammensetzung bestimmt werden. Damit ist es möglich zu erkennen, ob das Tumorgewebe sich im Wachstum oder Abbau befindet. Es kann bereits wenige Tage nach Beginn einer Therapie geprüft werden, ob der Patient darauf anspricht – statt wie heute erst die Therapie zu beenden und anschließend in Abständen von mehreren Monaten zu kontrollieren, ob Tumoren reduziert oder neu entstanden sind. Auch Blutuntersuchungen können durch den Einsatz von Quantensensorik empfindlicher werden, da zum Beispiel freie Radikale und Metaboliten sichtbar gemacht werden können.

Der Einsatz ist keine Science-Fiction: bereits heute gibt es in Deutschland zwei MRTs, die mit Quantensensorik arbeiten. Allerdings sind sie noch nicht für den flächendeckenden Einsatz geeignet, denn ein Gerät kostet 1,5 bis 1,6 Millionen Euro und muss zudem nach jedem Einsatz etwa zwei Stunden regenerieren (kühlen), bis es wieder einsatzfähig ist. Doch erste Unternehmer arbeiten bereits an einer Technik, wie gängige MRTs nachgerüstet und schneller wiedereingesetzt werden können.

Quantentechnologie als Chance für Präzisionsmedizin

Bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe birgt die Quantentechnologie ebenfalls große Chancen – und befördert damit die Präzisionsmedizin. Quantensimulation kann gezielt berechnen, wie Wirkstoffe zusammengesetzt sein müssen und ob die vorhergesehenen Wirkmechanismen auch funktionieren. Dieser Einsatz ist besonders für Pharmaunternehmen hochinteressant, weil die bisherige Entwicklung neuer Wirkstoffe und die erforderlichen Studien zum Nachweis der Wirkung zeitaufwändig und sehr teuer sind.

Zudem könnten die Medikamente individuell an den Patienten angepasst werden. „Bisher wird mit den Patienten Statistik gespielt“, formulierte es ein Teilnehmer. Denn sie erhalten ein Standardmedikament, dessen Wirksamkeit nur im Durchschnitt gilt. Im Einzelfall muss sich die Wirksamkeit erst zeigen. Würden die Medikamente und ihre Wirkung individuell angepasst, müssten die Erkenntnisse jedoch wiederum allen zugänglich gemacht werden, um den Nutzen zu teilen. „Der Einsatz in diesem Feld ist jedoch noch komplexer als reine Quantentechnologie; sie wird hier nicht der Treiber sein“, betonte ein Teilnehmer. Denn hier spielt auch das Wissen aus anderen Wissenschaften, wie etwa der Biotechnologie, rein.

Quantencomputer und künstliche Intelligenz: Von Big Data zu Smart Data

Bei Laien die bekannteste Anwendung der Quantentechnologie dürfte der Quantencomputer sein. Er nutzt die Eigenschaft von Quanten, mehrere Positionen gleichzeitig mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten einnehmen zu können. Damit kann er nicht nur basierend auf „eins“ und „null“, sondern verschiedenen Zwischenformen davon rechnen, sodass komplexere Rechnungen und schnellere Abläufe möglich sind.

Da immer mehr Daten entstehen und gesammelt werden, die auch mittels künstlicher Intelligenz ausgewertet werden können, wäre ein Quantencomputer ideal, um die Datenfülle spezifischer und weitaus schneller zu bewältigen. Doch hilft hier allein Geschwindigkeit nicht viel. Denn Big Data hilft erst mal nicht viel. Sie braucht eine sinnvolle Sortierung. Ein Diskutant zeigte sich überzeugt, dass es nicht zielführend sei, einfach Berge von Daten zu sammeln; stattdessen werde es in der Medizin spezifische Daten brauchen – „wir brauchen nicht Big Data, sondern Smart Data“, formulierte er.

Aber die Technik ist auch noch nicht so weit für den Quantencomputer. Ein Quantencomputer bräuchte wohl schon 1.000 so genannte Q-Bits. Rund 50 Q-Bits seien heute erst machbar. Im Übrigen konsumiere ein Quantencomputer eine beachtliche Menge an Energie. Insofern muss er unter Effizienzaspekten nicht automatisch besser sein als herkömmliche Computer. Die Teilnehmer der Diskussion waren der Meinung, dass die KI sich auf herkömmlichen Computern weitaus schneller weiterentwickeln wird, als dass der Quantencomputer bereitsteht, auf der eine ultraschnelle KI läuft. Vorstellbar sei, dass in der Zukunft „Hybrid-Computer“ existierten: „normale“ Computer geben eine Aufgabe nur dann an den Quantencomputer weiter, wenn er effizienter arbeiten kann.

Quantenkommunikation für Datensicherheit

Der Bereich der Quantenkommunikation birgt ebenfalls Chancen, die für die Medizin von großer Bedeutung sein können. Denn sie ermöglicht eine absolut sichere Kommunikation. Zwar können unerwünschte Zugriffe stattfinden; sie sind jedoch sofort ersichtlich, weil durch den Zugriff ein Quantenzustand verändert und damit detektierbar wird. Informationen können weder kopiert noch manipuliert werden. Damit böte die Quantentechnologie eine Möglichkeit, Patientendaten effektiv zu schützen.

Vorausschauender Einsatz von Quantentechnologie: Ethische Leitlinien festlegen

Ein Teilnehmer der Diskussion betonte, dass die Gesellschaft vor einem besonderen Umbruch stehe. Denn anders als bei der Erfindung der Dampfmaschine sei nicht nur eine Technologie mit dem Potenzial zur grundlegenden Veränderung neu, sondern gleich mehrere. Dabei stünde die Menschheit an einem Punkt, an dem nicht nur Umwelt und Natur verändert werden, sondern auch erstmals der Mensch selbst, der Teil des Veränderungsprozesses sei. Er forderte, diese „dramatischen Prozesse“ dürften nicht der normalen kapitalistischen Verwertung überlassen werden, Ethik und Philosophie müssten dringend einfließen und vorher bedacht werden.