Quando Christian Arenz, da Arizona State University (ASU), começou a lecionar mecânica quântica, ele esperava que os novatos ficassem confusos. Mas, após algumas semanas, essa incerteza geralmente se transforma em entusiasmo. Arenz, professor assistente na Escola de Engenharia Elétrica, de Computação e de Energia, veio de Princeton para a ASU e testemunhou os alunos compreenderem gradualmente o potencial da computação quântica. É uma área em rápida evolução que visa resolver problemas complexos que os supercomputadores atuais não conseguem, acelerando o desenvolvimento de novos medicamentos e melhorando a segurança cibernética e a modelagem financeira.
Na ASU, cientistas já aplicaram a computação quântica para acelerar a descoberta de materiais, otimizar a logística da cadeia de suprimentos e desenvolver novos métodos de inteligência artificial. Eles também estão enfrentando desafios técnicos fundamentais para tornar a tecnologia quântica mais prática.
"Quando as pessoas ouvem a palavra 'quântico', pensam 'ah, isso deve ser muito complexo, matematicamente difícil'", diz Arenz. "Isso depende muito da motivação e da abordagem... Todos podem aprender."
Embora a computação quântica ainda esteja em fase experimental, o interesse global está crescendo rapidamente. De acordo com um relatório da McKinsey, a computação quântica pode gerar receitas de até 72 bilhões de dólares até 2035.
Os computadores quânticos são caros de fabricar e manter – estimados em dezenas de milhões de dólares – e extremamente complexos. A ASU não possui seu próprio computador quântico, mas, com o apoio do Escritório de Pesquisa em Tecnologia, pesquisadores e alunos podem usar ferramentas para simular algoritmos de computação quântica em computadores clássicos de alto desempenho e, possivelmente, conectar-se remotamente a computadores quânticos, diz Gil Speyer, diretor do Acelerador de Pesquisa em Computação da ASU.
A universidade também lidera consórcios quânticos que conectam laboratórios nacionais, empresas, instituições acadêmicas e startups. Por meio dessa colaboração, os alunos têm acesso direto a oportunidades de educação e treinamento de ponta, adquirindo as habilidades necessárias para estar na vanguarda da inovação quântica.
A ASU está empenhada em formar talentos na área quântica. O curso introdutório de Arenz faz parte de uma série de disciplinas e é um dos muitos programas no campus, incluindo projetos de pesquisa e seminários destinados a formar a próxima geração de cientistas quânticos.
Apoiando a descoberta dos alunos
A maioria dos alunos que fazem o curso de Gennaro De Luca começa sem experiência em quântica. Ele é instrutor na Escola de Computação e Inteligência Aumentada. O curso vai desde os fundamentos da computação quântica até sua própria área de pesquisa – modelos generativos quânticos. Para introduzir conceitos, ele começa com gatos.
De Luca guia os alunos em um exercício mental: com apenas um conjunto limitado de imagens de gatos, como gerar imagens completamente novas de gatos? Essencialmente, um modelo generativo analisa padrões de detalhes (pelo, forma e cor) para produzir novas imagens de gatos. "Teoricamente, um computador quântico pode aprender com menos imagens do que um computador clássico", diz De Luca.Seus alunos utilizam recursos universitários para desenvolver projetos quânticos — desde programas educacionais que simplificam o aprendizado de máquina quântica até a construção de um carro robô Lego controlado inteiramente por algoritmos de processamento de imagens quânticas. Uma das ferramentas que usam é o pacote de software CUDA-Q da Nvidia, que aproveita a capacidade de processamento acelerado de chips especializados (GPUs). O CUDA-Q pode simular ambientes quânticos, rodando tanto em laptops quanto, para projetos maiores, no supercomputador Sol da ASU — um dos mais poderosos do mundo, com desempenho quase 2000 vezes superior ao de um laptop moderno. Além disso, o CUDA-Q também permite acesso via nuvem a plataformas de computação quântica reais, como os computadores quânticos da IBM.
Outra ferramenta é uma placa aceleradora chamada Vector Engine, que simula "plataformas de computação quântica dedicadas à otimização quântica", segundo Speyer. Essa ferramenta foi recentemente usada por uma equipe de pesquisa do Departamento de Gestão da Cadeia de Suprimentos da W. P. Carey School of Business para resolver problemas de logística de transporte.
Dentro do computador quântico
Nos computadores comuns (de celulares a supercomputadores), toda a informação é armazenada em bits, cada um sendo 0 ou 1. Já os computadores quânticos usam qubits. Os qubits podem representar não apenas 0 ou 1, mas também ambos os estados simultaneamente — como uma moeda no ar, que pode cair cara ou coroa — o que é chamado de superposição. Os qubits também podem se entrelaçar, ou seja, estar intrinsecamente correlacionados em estados de superposição. Essas propriedades permitem que computadores quânticos realizem um grande número de cálculos ao mesmo tempo, com um potencial de desempenho exponencialmente maior.
Descoberta de materiais super-resistentes
Descobrir novos materiais geralmente leva anos de tentativa e erro. Na Escola de Engenharia de Matéria, Transporte e Energia da ASU, o professor associado Houlong Zhuang está usando a computação quântica para acelerar enormemente esse processo. Nos últimos anos, ele tem utilizado essa tecnologia emergente para desenvolver ligas de alta entropia — materiais que não derretem nem enfraquecem sob calor extremo, estresse e radiação, frequentemente usados em sistemas de defesa avançados, como veículos hipersônicos e submarinos nucleares. A computação quântica pode acelerar significativamente o projeto e a produção de novos materiais em laboratório. "Normalmente, as simulações levam semanas; agora, com a abordagem híbrida, levam apenas dias", diz Zhuang. Com o avanço da computação quântica, "idealmente, pode-se reduzir de dias para um dia ou até horas". Zhuang também aplica esses métodos a pesquisas de sustentabilidade, buscando materiais que possam capturar dióxido de carbono, armazenar e transportar hidrogênio, e desenvolver novos semicondutores para conversão de energia solar.
Tornando a tecnologia quântica mais acessívelOutros pesquisadores da ASU concentram-se em melhorar a própria tecnologia. Os computadores quânticos são propensos a erros, seus sistemas são extremamente complexos e frágeis, suscetíveis a ruídos (como vibrações de hardware, mudanças de temperatura, raios cósmicos, etc.). Arenz pesquisa a supressão de ruídos, o que pode aumentar a confiabilidade dos computadores quânticos. O hardware quântico também é fisicamente complexo, muitas vezes exigindo o resfriamento dos processadores a temperaturas ainda mais baixas que o espaço sideral. A diretora da Escola de Ciências Moleculares, Tijana Rajh, apoia a construção de computadores quânticos que não precisem de temperaturas extremamente baixas. Sob sua liderança, o professor assistente Justin Earley se interessa pelo design e fabricação de dispositivos quânticos que funcionam em temperatura ambiente. Earley pesquisa qubits feitos de moléculas – esses qubits moleculares têm potencial para operar em temperaturas mais altas, impulsionando a tecnologia quântica do laboratório para o mundo real. "Precisamos começar a pensar em como nos livrar dessas temperaturas ultrabaixas, caso contrário, isso se tornará inviável devido aos altos custos e recursos", diz Earley. Ele também está entusiasmado com a aplicação da tecnologia quântica na área da saúde, onde sensores quânticos poderão ser usados no futuro para diagnósticos médicos, detectando doenças mais cedo do que as tecnologias atuais.
Enfrentando a escassez de mão de obra
Assim como outros pesquisadores quânticos da ASU, Earley trabalha com estudantes em diversos estágios, desde estagiários do ensino médio até doutorandos, ajudando-os a superar o medo inicial e a realizar projetos que aprofundem a compreensão e promovam aplicações práticas.