Квантовая запутанность улучшит ядерную медицину

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ-сканирование) — один из самых эффективных методов диагностики рака и ценный инструмент для выявления болезни Альцгеймера. Этот метод позволяет наблюдать, как функционируют органы и ткани, отслеживая предварительно введенное в организм радиоактивное вещество.

Некоторые клетки, такие как раковые, поглощают больше глюкозы и выглядят ярче на ПЭТ-скане. Принцип действия метода такой: радиоактивный материал испускает частицы-позитроны, они аннигилируют с электронами в организме с испусканием гамма-излучения. Оно попадает в детекторы ПЭТ-сканера, по его характеристикам можно построить трехмерную картину исследуемой части организма. Опухоли генерируют больше гамма-частиц, чем здоровые ткани.

Обнаружение гамма-частиц затруднено тем, что они рассеиваются и теряют энергию до попадания в детектор. Это явление известно как «мусорные» рассеянные события. Исследование специалистов из Йоркского университета нацелено на использование этих рассеянных сигналов с помощью квантовой физики для повышения точности ПЭТ-сканирования.

Квантовая запутанность — явление, при котором частицы взаимосвязаны таким образом, что состояние одной мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Ученые научились генерировать гамма-частицы в состоянии квантовой запутанности. Новое исследование показало, что квантовая запутанность в значительной степени сохраняется в процессе рассеяния гамма-частиц.

Этот результат открывает возможности для использования искусственного интеллекта и машинного обучения в анализе данных, создаваемых в результате таких событий. Наблюдение за второй запутанной частицей позволит получать больше данных из одного раунда томографического исследования. Это, в свою очередь, может привести к созданию более чувствительных диагностических инструментов и потенциально снизить дозу облучения для пациентов.

«Надежность квантовой запутанности между ПЭТ-фотонами стала для нас настоящим сюрпризом. Теперь, когда мы понимаем эту квантовую запутанность на более фундаментальном уровне, применение квантовой информации в ПЭТ-сканировании стало вполне реальной возможностью», — объяснил глава проекта, профессор Дэниел Уоттс (Daniel Watts), председатель кафедры адронной и ядерной физики Йоркского университета (Великобритания). 

Новое исследование в области квантовой запутанности может значительно улучшить методы диагностики заболеваний, таких как рак и болезнь Альцгеймера. 

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.