O desafio da medição

No universo da mecânica quântica, partículas subatômicas dançam em probabilidade em meio ao desafiante enigma da compreensão do universo, daí, emerge a questão da medição, fenômeno que confundiu cientistas e filósofos por décadas levantando questões sobre a realidade objetiva e a natureza da observação. A dança quântica se insere na dualidade onda-partícula onde a mecânica quântica consiste em teoria que descreve o comportamento das partículas em escalas subatômicas apresentando dualidade entre partícula e onda sendo que partículas subatômicas, elétrons e fótons, exibem propriedades tanto de partículas quanto de ondas desafiando a intuição clássica. O paradoxo se intensifica quando buscamos medir tais partículas e, conforme o princípio da incerteza de Heisenberg, é impossível conhecer simultaneamente com precisão a posição e a velocidade de uma partícula, princípio que estabelece limites à precisão com que fazemos medições originando o terreno de incerteza quântica. O problema de medição reside no enigma do “colapso da função de onda” em que na mecânica quântica, a função onda descreve a probabilidade de encontrar partícula em determinado local, no entanto, ao procedermos sua medição a função de onda aparentemente entra em colapso à um estado definido em que tal colapso quântico levanta a questão de como a observação influencia a realidade de uma partícula quântica, dilema que levou a debates sobre a natureza da realidade e a relação entre observador e observado. Vários experimentos tentaram resolver a questão da medição na mecânica quântica, dentre eles o de fenda dupla, onde partículas individuais exibem padrões de interferência quando não observadas e comportamento de partículas quando observadas, confundindo gerações de cientistas, além do paradoxo EPR, Einstein-Podolsky-Rosen, e experiências de desigualdade de Bell que levaram à conclusão que partículas quânticas estão emaranhadas, independente da distância entre elas, desafiando a compreensão clássica da causalidade. Os cientistas fizeram progressos ​​na compreensão da medição em que teorias como a interpretação de muitos mundos e a teoria da decoerência quântica oferecem perspectivas sobre a natureza da realidade quântica quando experimentos com sistemas quânticos controlados e técnica de medição lançam luz sobre a dinâmica da medição quântica, embora permaneça o enigma. Enfim, o desafio da medição na mecânica quântica não é apenas dilema científico, mas janela aberta à filosofia e à natureza da realidade e, à medida que buscamos desvendar mistérios quânticos, encontramos direção à compreensão profunda dos fundamentos do universo.

A física teórica poderá, um dia, auxiliar engenheiros desenvolver novos tipos de chips de computador que armazenem informações por mais tempo em objetos muito pequenos, por exemplo, ao adicionar creme ao café com nuvens de líquido branco girando em torno da xícara, tais redemoinhos desaparecerão, deixando uma xícara de líquido marrom, isto se parece com o que acontece nos chips de computadores quânticos quando dispositivos que exploram propriedades do universo nas menores escalas onde a informação pode misturar-se, limitando capacidades de memória das ferramentas. O professor associado de física da Universidade do Colorado e colegas em publicação na Physical Review Letters, usaram a matemática para mostrar que cientistas poderiam criar cenário em que o leite e o café nunca se misturassem por mais que mexessemos e as descobertas podem levar a avanços em chips de computadores quânticos, fornecendo aos engenheiros modos de armazenar informações em objetos pequenos. Precisam realizar mais experimentos em laboratório e garantir que esses redemoinhos sejam realmente possíveis, mas os resultados são passo à frente aos físicos que procuram criar materiais que permanecem desequilibrados, ou, em equilíbrio por longos períodos de tempo, tarefa conhecida como "quebra da ergodicidade". O estudo, incluindo pesquisadores de pós-doutorado em física na CU Boulder, depende de problema comum na computação quântica já quecomputadores normais funcionam com “bits" que assumem a forma de zeros, ou, uns enquanto computadores quânticos, empregam “qubits” que podem existir como zero, um ou e, pela estranheza da física quântica, zero e um ao mesmo tempo, daí, engenheiros criaram qubits a partir de ampla gama de coisas incluindo átomos individuais presos por lasers ou pequenos dispositivos chamados supercondutores. Assim como a xícara de café, os qubits podem ser facilmente misturados, por exemplo, os qubits eventualmente se alternam até que todo o chip se torne desorganizado, daí, a pesquisa pode ter descobeto novo modo de contornar a tendência à mistura já que a organização dos qubits em padrões específicos reterão a informação mesmo que sejam perturbados através de campo magnético ou perturbação semelhante que permitiria engenheiros construírem dispositivos com uma espécie de memória quântica. No estudo, os pesquisadores usaram ferramentas de modelagem matemática para imaginar milhares de qubits dispostos em padrão semelhante ao tabuleiro de xadrez e, descobriram, que se os qubits se aproximarem o suficiente, podem influenciar o comportamento dos vizinhos e calcularam que, se organizassem esses padrões da modo correto, poderiam fluir em torno de um chip de computador quântico e nunca se degradar, assim como aquelas nuvens de creme girando para sempre no café. As descobertas juntam-se ao corpo de investigação que sugere que pequenas organizações de matéria podem resistir a esse equilíbrio aparentemente quebrando algumas das leis mais imutáveis do universo, daí, “o campo da matemática que chamamos de física estatística é incrivelmente bem-sucedida para descrever coisas que encontramos na vida cotidiana, podendo haver situações onde talvez isso não se aplique", enfim, trata-se teoria reducionista, que estuda propriedades macroscópicas de sistemas em equilíbrio térmico através de abordagem estatística das propriedades microscópicas dos constituintes do sistema. 

Moral da Nota: Paul Dirac foi uma mente que transformou a física quântica, nascido em Bristol, 1902, deixou marca na compreensão das leis fundamentais do universo, mostrou aptidão para matemática e física, Ingressou na Universidade de Bristol aos 16 anos e continuou sua formação na Universidade de Cambridge, onde começou delinear ideias que mudariam o curso da história científica. A "Equação de Dirac" em 1928 é sua obra-prima, esta equação, fundiu a mecânica quântica e a teoria da relatividade especial de Einstein, revelando a existência do pósitron, a antipartícula do elétron, passo crucial à criação de teoria unificada de partículas elementares. De estilo reservado e profundo era conhecido pela natureza reservada e aversão ao excesso de palavras que refletiu-se na abordagem científica, onde cada palavra e símbolo eram precisos e eficientes inseridos no lema  “Quando você tiver algo importante a dizer, mantenha a simplicidade e digamos com simplicidade”. Contribuiu com a equação que leva seu nome, desvendou a estatística quântica e desenvolveu o Princípio de Exclusão de Pauli, essencial à compreensão do comportamento dos férmions, como elétrons e prótons e, em 1933, dividiu o Nobel de Física com Erwin Schrodinger "pela descoberta de novas formas produtivas de teoria atômica", apenas um dos muitos prêmios que recebeu ao longo da carreira, incluindo a Medalha Copley e a Medalha Max Planck. Morreu em 1984, influenciando a física teórica até seus últimos dias cujo legado sobrevive através de gerações de físicos inspirados por sua abordagem profunda e contribuições fundamentais.

Salto à frente

Do nascimento da energia atômica à 2ª guerra, os EUA estabeleceram domínio militar elaborando tecnologias buscando superar adversários e, na busca por superioridade tecnológica sobre a URSS, premissa da estratégia “Second Offset” de 1970 e 1980, o Departamento de Defesa acelerou o desenvolvimento de furtividade, navegação, cronometragem, armas de precisão, links de dados, comunicações, sensores e processamento computacional inseridos em vantagem competitiva, no entanto, garantir escala importa considerando que os EUA já não mantêm primazia científica e industrial da Guerra Fria. O surgimento dos computadores digitais em 1945, objetivo inicial do ENIAC, integrador numérico eletrônico e do computador, em resolver equações matemáticas complicadas no laboratório como trajetórias balísticas, poucos previriam futuro em que smartphones, modelagem, simulação ou gráficos gerados por computador seriam onipresentes e, ao buscar recuperação de liderança tecnológica e vantagem militar, emerge a QIST, ciência e tecnologia da informação quântica, como tecnologia necessitando investimento na “Terceira Compensação” em que EUA e China concorrem em valor de “salto à frente”, daí, tecnologia quântica é capacidade de avanço na concorrência, subvertendo contramedidas do adversário e introduzindo estratégias. Sensores quânticos prometem exatidão, estabilidade, sensibilidade e precisão excedendo tecnologias existentes, computadores quânticos prometem poder de computação permitindo quebra de criptografia e resolução de problemas em escala e velocidade não vistas e, dado que capacidades são procuradas tanto pelos adversários como pelos EUA é fundamental compreender o desenvolvimento da tecnologia. O Serviço de Pesquisa do Congresso norte americano, avalia que tecnologias quânticas “poderiam ter implicações no futuro da segurança internacional em grande escala” ao aprovar a Iniciativa Quântica Nacional, NQI, em 2018, reconhecendo que o QIST estava à beira da transição de teoria acadêmica à aplicações no mundo real, cuja intenção era orientar “abordagem do governo em garantir liderança dos EUA em QIS, ciência da informação quântica, e em aplicações tecnológicas”. Orientou a criação do NQCO, Escritório Nacional de Coordenação Quântica, para desenvolver plano de 10 anos buscando acelerar aplicações QIST em setores com atividades e supervisão do NQCO incluindo coordenação de esforços entre agências federais, financiamento à pesquisa básica em universidades e laboratórios federais, desenvolvimento da força de trabalho e estabelecimento de padrões em que NQCO estabelece o Consórcio de Desenvolvimento Econômico Quântico, QED-C, organização cuja missão é crescer a indústria quântica comercial e cadeia de abastecimento, além de Leis de Autorização de Defesa Nacional e Lei CHIPS e Ciência de 2022 reforçando apoio ao desenvolvimento QIST.

A China investe em P&D QIST com poder de agir mais rapidamente que os EUA e, para cientistas quânticos, “supremacia quântica”, “vantagem quântica” e “primazia quântica” significam capacidade de um computador quântico resolver problema que nenhum computador tradicional resolveria. Definição prática de “vantagem quântica” em relação à China e aos esforços QIST incluiria a base de investigação científica residente em universidades e laboratórios, base industrial e força de trabalho de produção necessárias para concretizar o potencial do QIST, força de trabalho intelectual para design, engenharia e programação quântica e mobilizar capacidades e prontidão para empregá-las, esta avaliação comparativa, ao contrário da avaliação mais acadêmica, reconhece que a vantagem quântica não é um evento de “dia zero”, mas uma maratona. Sem conhecimento básico do QIST, líderes não podem julgar por si próprios se os projetos propostos têm ou não valor real enquanto líderes seniores devem ter seu próprio entendimento para tomar decisões informadas sobre requisitos, recursos e programas, não significando que precisem tornar-se cientista quântico ou resolver equações matemáticas complexas, mas serem alfabetizados para fazer perguntas certas, combinarem tecnologia com casos de uso de valor identificando  desafios tecnológicos. A perspectiva de liderança é crucial porque cientistas e engenheiros que procuram fazer a transição QIST do laboratório ao mundo real podem não compreender exigências do ambiente operacional ou como a capacidade quântica poderia ou deveria ser integrada a outros sistemas, ao passo que o otimismo tecnológico leva gestores de programas sobrestimar o valor de aplicação proposta ou subestimar desafios no amadurecimento da tecnologia quântica em capacidade, enquanto inovadores abordam o QIST a partir de vantagens matemáticas, científicas e teóricas, na busca por perspectiva operacional. Aplicações estabelecidas de fenômenos quânticos incluem relógios atômicos, lasers, semicondutores de estado sólido, células solares, LEDs, câmeras digitais e sensores ópticos e na segunda revolução quântica de hoje, investigadores aplicam avanços nas ciências quânticas subjacentes para isolar, controlar e manipular partículas subatômicas e capitalizar princípios como superposição ou emaranhamento buscando projetar tecnologias novas. Um bit quântico, ou qubit, é a unidade mais básica de informação quântica, na computação convencional, um bit é de natureza binária, 1 ou 0, esses 2 estados se relacionam à propriedade física de um transistor ligado, estado 1, ou desligado, estado 0, um qubit, por outro lado, pode estar em qualquer um dos três estados, ligado, desligado ou em superposição, um estado de combinação entre 1 e 0. Princípios e propriedades quânticas são universais enquanto métodos físicos e hardware ou modalidades que os físicos usam para isolar, controlar e medir a matéria quântica, não o são, já que cientistas usam diferentes modalidades para construir bits quânticos e acessar propriedades quânticas, tal como acontece com qualquer projeto técnico com compensações entre capacidade, custo, complexidade, tamanho e utilidade operacional em que decisores políticos devem investigar estas considerações para compreender pontos fortes e limitações de cada uma e melhor adequar a investigação e desenvolvimento às necessidades. Todos os sistemas quânticos são construídos em qubits e a forma como os tecnólogos constroem pode variar, assim como seu desempenho em que os estados quânticos são sensíveis, o que os torna úteis e frágeis e devido sua sensibilidade inerente, os qubits são propensos a erros decorrente radiação, calor, impactos de partículas ou mesmo sistemas de controle da máquina.

Moral da Nota: especialistas estimam que a China investiu mais de US$ 15 bilhões em esforço de investigação e desenvolvimento QIST, número que ultrapassa em muito os EUA e outros países, detendo o dobro de patentes quânticas que os norte americanos, perseguindo agressivamente o QIST para aplicações militares ao lançar Experimentos Quânticos em Escala Espacial, QUESS, em 2011, esforço de anos da Academia Chinesa de Ciências, CAS, para aproveitar o potencial QIST, ao passo que o QUESS procura resolver problemas difíceis de comunicação quântica incluindo um novo tipo de protocolo de criptografia. O lançamento do satélite Micius em 2016 demonstrou a capacidade chinesa de implementar a QKD, distribuição quântica de chaves, forma de encriptação baseada em quantum entre Pequim e uma estação terrestre no oeste da China, em que a equipe do CAS usou o Micius para realizar experimentos pelas distâncias envolvidas e, em 2017, conduziram a “primeira teleconferência virtual criptografada quântica do mundo” com o IQOQI, Instituto Austríaco de Óptica Quântica e Informação Quântica, em uma distância de mais de 4.600 milhas, desde então, o CAS desenvolve e demonstra experimentos projetados para proteger comunicações quânticas em nós “não confiáveis”. Embora a NSA, Agência de Segurança Nacional dos EUA desencoraje entidades norte americanas usar QKD para criptografia, a demonstração bem-sucedida da China prova a capacidade de produzir e codificar qubits fotônicos sob demanda, manter intensidade do sinal e evitar perda de qubits em milhares de kms de espaço livre e transmissão de fibra óptica além de desenvolver estações repetidoras quânticas seguras e precisas. O programa QUESS é uma das muitas linhas de esforço que os chineses perseguem com avanços significativos na computação quântica e, em 2021, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China, USTC, revelou supercondutor denominado Zuchongzhi 2 em homenagem ao matemático e inventor chinês que utilizou 56 qubits de um total de 66, chamando atenção que o Zuchongzhi 2 supostamente “resolveu problema 3 vezes mais difícil” que o computador Sycamore do Google resolveria tratando-se de supercondutor de 53 qubits que marcou o primeiro ponto de “supremacia quântica” em 2019. A China demonstrou que o Jiuzhang 2, computador qubit fotônico cuja velocidade computacional e poder excedem os outros esforços na casa dos bilhões, pelo menos em ambientes laboratoriais controlados, além da construção de protótipos quânticos, pesquisadores chineses desenvolveram técnicas para resolver desafios quânticos fundamentais como correção de erros e quebra de códigos. Em 2022, pesquisadores de universidades chinesas propuseram método para quebrar a criptografia RSA padrão com um computador de 372 qubits, a descriptografia RSA, que poderia ser usada à estratégia de inteligência de “coletar agora, descriptografar depois”, estimada em exigir centenas de milhares de qubits, embora controverso na comunidade científica e não aprovado na revisão por pares, a investigação exemplifica o esforço sustentado da China que fez outras alegações quânticas como anúncios públicos sobre radares quânticos, sugerindo capacidade anti-furtividade resistente a interferências, além do 14º Plano Especial Quinquenal à Fusão Civil-Militar de Ciência e Tecnologia, destacando o QIST como imperativo nacional entre tecnologias como IA e aprendizagem automática.

Filosofia e ciência

A filosofia tem a capacidade de expandir o pensamento crítico e criativo, sendo que argumentos filosóficos podem emergir casos imaginativos extremos e mergulho em hipóteses frequentemente  estimulantes levando ao pensamento criativo com abordagem lógica e metódica. Estudar o instrumentalismo, ideia filosófica de que a ciência não descobre verdades fundamentais sobre o mundo apenas fornece ferramentas que ajudam navegá-lo, permite fluidez na pesquisa e procura por ferramentas úteis onde quer que possam ser encontradas.

A lógica formal é utilizada na transição de um cientista de graduação em laboratório ao cientista computacional e conforme aprende linguagens de codificação envolvendo elementos como operadores lógicos e raciocínio, conhece a inferência ou o processo de chegar a conclusões a partir de evidências e raciocínio. Ler, estudar e avaliar argumentos filosóficos como premissas e conclusões, moldam capacidade de examinar evidências e conclusões em relatórios de pesquisa. Entre indução e dedução, considerando no primeiro caso o exemplo 'esses sapos são todos deste lago e são todos verdes, portanto, todos os sapos no lago são verdes', ao passo que no segundo caso 'todos os sapos neste lago são verdes e este sapo é deste lago, portanto, este sapo é verde', não se avalia metodicamente os argumentos. A filosofia  trouxe grandes questões a familiaridade ficando mais acessível perguntá-las na vida cotidiana, como exemplo, a discussão sobre randomização mendeliana, um método de pesquisa genética que identifica fatores de risco modificáveis ​​às doenças, pode levar a discutir como fatores socioeconômicos precisam ser contabilizados estatísticamente. O desafio encontra-se na idéia da motivação e objetivos na pesquisa e quais oportunidades buscar, em vez de ser movido apenas pela curiosidade científica a motivação vem do desejo de desenvolver positivamente os diversos setores do conhecimento.

Moral da Nota: a convergência entre filosofia e ciência pode ser vista no experimento da Nave de Teseu, experimento de pensamento questionando se um objeto que teve todos os seus componentes substituídos permanece fundamentalmente o mesmo. A filosofia além de métodos e dados impulsiona examinar interna e externamente valores e ética por trás da ciência, sendo que pesquisadores são humanos e a subjetividade e valores influenciam inevitavelmente o trabalho. Escolhas diárias de cientistas podem levar a impactos éticos como escolhas de cores em figuras publicadas, genotipagem apenas de populações de ascendência européia, pesquisa em grupos vulneráveis ​​sem oferecer proteção e ajuda ou mesmo questões que escolhemos seguir.