Del hombre nuclear y la mujer biónica al médico cuántico, parte 1

Andres Rico. Alejandro Hernández.

Puntos relevantes:

1. La computación tradicional está regida por las reglas de la física clásica, la computación cuántica se comporta de acuerdo a las reglas de la mecánica cuántica.
2. Los dispositivos o computadores cuánticos requieren unas condiciones especiales para su funcionamiento bajo las condiciones de la mecánica cuántica.
3. La computación cuántica permite la realización de una gran cantidad de operaciones de manera simultánea y requiere unos algoritmos específicos.
4. La implementación en el campo de la salud tiene un gran potencial dado por la gran cantidad de datos biológicos en personas sanas y enfermas que se están generando.

El hombre nuclear fue una serie televisiva, basada en la novela Cyborg de Martin Caidin, (2) se emitió durante la década de 1970 y 1980, su trama giraba en torno a un astronauta que sufrió un accidente aéreo (1,2) y una agencia gubernamental reemplazó su brazo derecho, sus piernas y su ojo izquierdo por prótesis cibernéticas valoradas en seis millones de dólares, otorgando capacidades sobrehumanas, como correr a altas velocidades, doblar una barra de acero o ver con su ojo biónico a gran distancia; o la mujer biónica, una tenista profesional que tras un accidente en paracaídas también fue convertida en un organismo cibernético al reemplazar su oído, brazo y piernas (3), ahora estas antiguas series que mostraban entidades híbridas de ficción se han vuelto realidad.  

Las entidades híbridas tienen un componente biológico y uno electrónico, este último conformado por un hardware y un software, que en los últimas décadas han presentado una evolución.  En AIpocrates hemos expuesto como los desarrollos en software denominados inteligencia artificial han aumentado las capacidades humanas, permitiendo afrontar tareas como el almacenar, acceder, procesar, estructurar y analizar un volumen gigantesco de datos provenientes de registros electrónicos, dispositivos de telemonitoreo (wearables), revistas médicas, websites y e-books, entre otros, para ser usados en la toma de decisiones, considerando una gran cantidad de variables en tiempo real. (5, 6, 7 ,9)

La principal limitación para la inteligencia humana en términos de la cantidad de datos es el tiempo requerido para procesarlos, (9) la inteligencia artificial utiliza algoritmos que simulando las funciones cognitivas humanas a través de modelos matemáticos ejecutan la función para los que fueron diseñadas, en una fracción del tiempo, pero son dependientes del volumen y calidad de los datos, (9) entonces la diferencia esencial entre la estadística clásica y el machine learning (ML) es que la estadística parte de un modelo predefinido para la pregunta, mientras ML utiliza y automatiza diferentes modelos para resolver la pregunta eligiendo el modelo con el mejor desempeño. (4)

La sinergia entre la inteligencia humana y los algoritmos de inteligencia artificial ha abierto la puerta a la “inteligencia aumentada”, soluciones que aumentan el poder de procesamiento humano y será clave el desarrollo y  mejoramiento del acceso, la eficiencia y la seguridad a los servicios de salud (5, 8, 9)

En el sector salud se tienen problemas cómo abarcar “necesidades infinitas con recursos finitos” (4), la necesidad de mejores rendimientos en los procesos y servicios, y la dificultad del registro en la historia clínica electrónica por la gran cantidad de clicks que entorpecen la toma de decisiones. (5, 6).

Además de los modelos de “Machine Learning”, ha surgido la computación cognitiva que es un conjunto de sistemas que recopilan datos individuales, clínicos y sociales de diferentes fuentes y usa la combinación multidisciplinaria de tecnologías como aprendizaje de máquina, Big Data Analytics (BDA), procesamiento natural del lenguaje y visualización de datos, permitiendo una cooperación humano-máquina capaz de enfrentar problemas clínicos complejos. (7, 8)

Otra área de desarrollo son los robots industriales colaborativos (Cobots) que juegan un papel en la automatización y apoyo al equipo de salud para la resolución de problemas clínicos o quirúrgicos, una colaboración en tiempo real de máquinas entrenadas con algoritmos de inteligencia artificial con enfoque clínico en tareas de pronóstico, diagnóstico, tratamiento y flujo de trabajo del médico, expandiendo la experticia clínica a lugares sin disponibilidad de talento humano especializado (7).

Algunas empresas han desarrollado software denominados “AI doctors”, herramientas basadas en inteligencia artificial que asesoran sobre síntomas, que más que reemplazar médicos, logran optimizar los servicios, dejando espacio en las agendas para las consultas de casos más complejos y mejorando la oportunidad en la prestación de servicios.  (9, 10)

Es necesario hacer énfasis en la validación de los algoritmos de inteligencia artificial con aplicación clínica en la fase preclínica con las guías TRIPOD AI (modelo de predicción) y STARD AI (modelo diagnóstico) y la guía DECIDE-AI para asegurar los componentes mínimos de calidad para un reporte científico (12).

El complemento del software de inteligencia artificial… el hardware cuántico.

La supremacía cuántica es la capacidad de un ordenador cuántico de realizar simultáneamente múltiples cálculos a partir de datos de múltiples entradas, manejando e integrando múltiples series de datos de distintas fuentes, se estima que en 200 segundos calculan lo que a un ordenador convencional le tomaría 10.000 años, con una gran velocidad de cálculo pueden resolver rápidamente problemas complejos, acelerando los procesos y facilitando el análisis (17).

En 2019 el equipo de Google liderado por John Martinis logró la supremacía cuántica con el procesador cuántico Sycamore, el grupo de investigadores chinos dirigido por Jian-Wei Pan publicó en Science en diciembre de 2020, que también la había alcanzado con su procesador superconductor Zuchongzhi. En noviembre de 2021 IBM anunció haberla alcanzado con su procesador cuántico Eagle de 127 cúbits (15)

IBM comercializará el Q System One de 20 qubits, presentado en 2019, una máquina recubierta de cables de cobre, muy complejos sin pantallas, teclados ni procesadores dentro de un cubo de cristal de 3 x 3 metros, que estará disponible para el ámbito empresarial e investigación (13, 14).

Para su funcionamiento necesita una temperatura ambiente próxima al cero absoluto (-273 °C), una presión atmosférica cercana a 0 mmHg y un aislamiento del campo magnético terrestre y del entorno, pues la interacción de estas máquinas con partículas externas provoca que los átomos se muevan y colisionen entre sí, generando el borrado de las superposiciones de estado, sufriendo errores y fallos de medición. (13, 14) Estos sistemas funcionan durante intervalos muy cortos de tiempo, por lo que la información se termina dañando y no puede almacenarse, dificultando aún más la recuperación de los dato. (14)  

Cuando desaparecen las condiciones necesarias para que el sistema cuántico se mantenga, es decir, el sistema deja de comportarse como dictan las reglas de la mecánica cuántica y pasa a comportarse como dictan las reglas de la física clásica, es decir, obliga al sistema a definirse hacia 1 o 0, se denomina la decoherencia cuántica (14).

Para retrasar la decoherencia cuántica hay que aislar muy bien el sistema. (15) Mientras en un ordenador clásico si hay una interferencia en su sistema él mismo puede corregirla y seguir funcionando, en los computadores cuánticos esto no sucede.  (13)

La realidad es que la computación cuántica no va a descargar o correr un vídeo más rápido, ni mejores gráficos para un jugador de videojuegos (13).

La investigación y la mayor parte de los artículos científicos relacionados con la computación cuántica se está dando en países desarrollados  como lo demuestra la  revisión sistemática de Maheshwari, Garcia-Zapirain, and Sierra-Sosa 2022. (18)

Como resultado de esta revisión, se observa un aumento significativo en el número de publicaciones en computación cuántica, en el campo de la salud los últimos 5 años.

La información cuántica

La computación clásica gira alrededor del sistema binario, el bit solo puede adoptar un valor en un determinado momento, los datos se procesan en un estado binario exclusivo en cada transistor o condensador. Esto significa que cada interacción con los programas y aplicaciones codificados en bits como teclear, crea, destruye o modifica cadenas de 0 y 1. Los estados de los bits corresponden con una corriente eléctrica que circula o no a través de los transistores, que actúan como interruptores. Cuando no circula corriente el transistor está “apagado” y corresponde con un bit = 0,  cuando circula está “encendido” y se corresponde con un bit = 1 (18). Se basa en los principios del álgebra booleana. (17)

Quantum bit, qubit o cúbit  puede estar en cualquiera de los estados intermedios entre el 0 y el 1, a esto se le conoce como superposición cuántica. (18) En un ordenador cuántico, se puede utilizar la carga o polaridad de partículas elementales, como electrones o fotones, (17)

La multiplicidad de estados por la superposición cuántica posibilita que un ordenador cuántico de apenas 30 qubits, pueda realizar 10 billones de operaciones por segundo, unos 5,8 billones más que la PlayStation más potente (14) e incrementando el número de qubits es posible que los ordenadores cuánticos realicen más cálculos simultáneamente y sean capaces de enmendar sus propios errores. (16)

Teóricamente implica almacenar más estados por unidad de información y operar con algoritmos más eficientes, realizar más operaciones simultáneas y eliminar el efecto túnel (fenómeno cuántico por el que una partícula viola los principios de la mecánica clásica atravesando una barrera de potencial o impedancia) que afecta a la programación actual (14).

Propiedades cuánticas 

• La superposición cuántica, una partícula puede estar en diferentes estados a la vez. (18)
• El entrelazamiento cuántico describe cómo dos partículas aun estando separadas pueden estar correlacionadas, pues al interactuar con una de ellas la otra también reacciona. (18)
• El teletransporte cuántico utiliza el entrelazamiento cuántico para enviar información sin necesidad de viajar a través del espacio (18). Cambiar el estado de un qubit afectará el estado de los demás, sin importar cuán separados estén.

Diferencias entre la computación tradicional y la cuántica

• La computación cuántica carece de un código propio para programar y recurre al desarrollo e implementación de algoritmos específicos (14)
• El ordenador cuántico no tiene memoria ni procesador (14).
• A mayor calidad de un qubit mayor es su capacidad de resistir la decoherencia cuántica, (16)

Tipos de qbits

• Los qubits superconductores trabajan a una temperatura de -273 grados centígrados (14, 16) este mínimo nivel de energía les permite dilatar el tiempo durante el que se mantienen los estados cuánticos del sistema y postergar el momento de la decoherencia cuántica. (16)
• Los qubits de las trampas de iones utilizan átomos ionizados, una carga eléctrica global no neutra, el estado cuántico se logra al mantenerlos aislados y confinados en el interior de un campo electromagnético y enfriándolos para reducir el ruido computacional y utilizando láseres, uno para cada ion y también un láser global que actúa sobre todos ellos simultáneamente. (16)

El término “IA cuántica” hace referencia al uso de ordenadores cuánticos aprovechando la superioridad de procesamiento de los algoritmos de aprendizaje automático, para obtener resultados inalcanzables con tecnologías informáticas clásicas, (17) los algoritmos cuánticos permiten realizar operaciones de manera más eficiente, es decir, en menos tiempo y menos recursos computacionales. (18)

Una computadora digital o clásica necesita un orden de N/2 pasos o iteraciones, a través del paralelismo cuántico la computadora cuántica encontrará el valor óptimo tras solo √N operaciones sobre el registro, (18) con una ventaja cuadrática, pero en otros casos puede ser exponencial, lo que significa que con un número n de qubits podemos obtener una capacidad computacional equivalente a 2ⁿ bits. (18)

El médico cuántico

Así como se está invitando a migrar de la comparación de capacidades entre la inteligencia artificial y la inteligencia humana, enfocándose en la sinergia entre las inteligencias, enfatizando que su diseño potencia la inteligencia humana en lugar de reemplazarla (22, 23), facilitando el manejo de un gran volumen de datos y además generando el conocimiento necesario para construir modelos de soporte al razonamiento clínico para la toma de decisiones basados en la evidencia y en tiempo real, ajustando la aplicación de las guías de práctica clínica a los determinantes sociales individuales, medicina personalizada o también llamada 4P.

El requerimiento de realizar cálculos más complejos en menor tiempo, procesamiento de mayores cúmulos de información o la ejecución de algoritmos más complejos ha impulsado el desarrollo de procesadores más poderosos, sin embargo, la disminución en el tamaño de los procesadores ha dejado al descubierto el efecto túnel y la necesidad de un hardware que sustente los factores anteriores.

Aunque la supremacía cuántica se ha logrado, su mantenimiento y aplicabilidad es aún inaccesible para el público común y está restringida a la industria y la investigación, pero ya es el primer paso, dónde se integrarán el súper hardware y la superinteligencia artificial, conformando la Inteligencia Artificial Cuántica, que el campo de la salud tendrá aplicaciones como los gemelos digitales, predicciones clínicas, análisis poblacionales y otras aplicaciones que al día de hoy son inimaginables, hoy el concepto del médico cuántico va más allá de los sueños y las predicciones.

Conclusiones

• Con respecto a la superposición cuántica, los siguientes adagios populares en medicina reflejan su significado: “En ocasiones los pacientes pueden tener pulgas y piojos”, “El paciente no está enfermo hasta que va al internista y destapa la caja de pandora”. Los denominaremos “adagios médicos de Schrödinger” para recordar al físico, quien empleó la ampliamente referenciada metáfora del gato para explicar en 1935 la superposición cuántica, la cual les invitamos a consultar en: The Landmark Lectures of Physicist Erwin Schrödinger Helped to Change Attitudes in Biology 2018.
• Les recomiendo este libro: Cómo explicar física cuántica con un gato zombi  (Van and Ruedas 2016).
• Los avances en el poder computacional o informática cuántica, los desarrollos en la programación o diseños de algoritmos y los lenguajes de programación están tomando un papel protagónico en la investigación médica, en diseños experimentales y en sistemas de soporte a la decisión clínica.

Bibliografía

1. https://www.clarin.com/espectaculos/tv/lee-majors–81-vida-hombre-nuclear_0_JBMDCyuMa.html
2. https://es.wikipedia.org/wiki/The_Six_Million_Dollar_Man
3. https://es.wikipedia.org/wiki/The_Bionic_Woman#Véase_también
4. Pino L.E, Rico A.E., https://aipocrates.org/2022/03/27/del-dato-a-la-informacion-en-salud/
5. Pimienta S., Rico A.E., https://aipocrates.org/2021/10/03/el-flujo-de-informacion-en-un-ambiente-medico/
6. «AI, teamed with physicians’ intelligence, could improve care | American Medical Association». [En línea]. Disponible en: https://www.ama-assn.org/practice-management/digital/ai-teamed-physicians-intelligence-could-improve-care. 
7. Hernández A., Tecnologías 5.0 O De Perfeccionamiento Humano Para La Medicina https://www.revistamedicina.net/index.php/Medicina/article/view/1643/2128
8. Behera RK, Bala PK, Dhir A. The emerging role of cognitive computing in healthcare: A systematic literature review. Int J Med Inform. 2019;129:154–66.
9. Rico A.E. Herramientas De Soporte Para El Razonamiento Clínico En Medicina Interna Basadas En Inteligencia Artificial https://www.revistamedicina.net/index.php/Medicina/article/view/1645/2132
10. Chen, M., Decary M.,Artificial intelligence in healthcare: An essential guide for health leaders. Healthc Manage Forum. 2020;33(1):10-18
11. Rico A.E., ¡De la histeria clínica a la historia clínica inteligente! https://aipocrates.org/2021/11/21/de-la-histeria-clinica-a-la-historia-clinica-inteligente/
12. Hernández A., Sistemas de soporte a las decisiones clínicas basados en inteligencia artificial, https://aipocrates.org/2022/05/22/sistemas-de-soporte-a-las-decisiones-clinicas-basados-en-inteligencia-artificial/
13. https://www.bbva.com/es/computacion-cuantica-en-que-se-diferencia-de-la-computacion-clasica/
14. https://www.iberdrola.com/innovacion/que-es-computacion-cuantica
15. https://www.xataka.com/investigacion/google-ibm-china-han-llegado-a-supremacia-cuantica-ahora-afrontan-otro-reto-correccion-errores
16. https://www.xataka.com/investigacion/carrera-mejor-ordenador-cuantico-hay-dos-bandos-no-estados-unidos-china-1
17. https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/mundo-digital/computacion-cuantica-e-ia/
18. https://blogs.iadb.org/conocimiento-abierto/es/como-funciona-la-computacion-cuantica/
19. Maheshwari, Danyal, Begonya Garcia-Zapirain, and Daniel Sierra-Sosa. 2022. “Quantum Machine Learning Applications in the Biomedical Domain: A Systematic Review.” IEEE Access 10: 80463–84.
20. “The Landmark Lectures of Physicist Erwin Schrödinger Helped to Change Attitudes in Biology.” 2018. Nature 561 (7721): 6.
21. Van, Big, and Científicos Sobre Ruedas. 2016. Cómo explicar física cuántica con un gato zombi. Penguin Random House Grupo Editorial España.
22. https://www.ama-assn.org/practice-management/digital/augmented-intelligence-medicine

23.   WMA STATEMENT ON AUGMENTED INTELLIGENCE IN MEDICAL CARE, Adopted by the 70th WMA General Assembly, Tbilisi, Georgia, October 2019. https://www.wma.net/policies-post/wma-statement-on-augmented-intelligence-in-medical-care/