O Imperial College London é líder global em ciência e tecnologia quântica, testando recentemente o primeiro sensor quântico para um futuro sistema de navegação a bordo de um navio da Marinha Real, recriando o famoso experimento de dupla fenda no tempo e lançando nosso novo Centro de Engenharia Quântica, Ciência e Tecnologia (QueST) para traduzir as descobertas da ciência quântica em tecnologias transformadoras.

Sentamo-nos com os principais especialistas da Imperial na área para explorar o que é quantum, o que isso pode significar para o futuro e quais são os desafios para chegar lá.

Falamos com:

Professor Peter Haynes : “A física quântica é uma teoria que descreve como a luz e a matéria se comportam no nível atômico - dizendo que podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Isso sustenta tecnologias das quais já dependemos fortemente, como chips semicondutores em telefones celulares.

“Existem duas características principais da física quântica - superposição e emaranhamento.

"Se eu pegar uma moeda, ela pode estar em um dos dois estados - cara ou coroa. Mas se eu tivesse uma moeda quântica, seu estado geral seria uma combinação de cara e coroa ao mesmo tempo. No entanto, quando olhamos para a moeda, descobriríamos que é apenas cara ou coroa, apesar do fato de que, antes de olharmos, são ambos. Isso é chamado de superposição. E pode ser explorado em computadores quânticos, onde os bits quânticos podem ser zero e um, em vez do que apenas exclusivamente um ou outro.

“Para o emaranhamento, se eu jogasse duas moedas comuns, na metade das vezes, elas sairiam iguais – ambas dariam cara ou ambas dariam coroa. Mas com moedas quânticas, posso prepará-las de forma que, se uma der cara, a outra sempre dará coroa ou vice-versa. E isso acontece mesmo que estejam separados por grandes distâncias. Essa estranha conexão é o que chamamos de emaranhamento. É como se as duas moedas estivessem compartilhando informações de uma forma que vai além de nossa compreensão cotidiana de como os objetos se comportam. Este conceito é fundamental para a mecânica quântica e é uma parte essencial da compreensão de como as partículas se comportam no nível quântico.”

Professor Myungshik Kim: “As estranhas propriedades da mecânica quântica nos permitem entender e manipular partículas em um nível totalmente novo. Na verdade, é como o Facebook. Na semana passada comprei um par de sapatos porque o Facebook sabia que eu ia de férias e que precisava de uns sapatos novos. Isso é marketing individual baseado em necessidades individuais. Com a mecânica quântica, podemos saber o que as partículas elementares individuais estão fazendo e como estão interagindo umas com as outras.

“Trabalhar para entender as interações quânticas, que está se tornando muito importante no desenvolvimento de novos materiais e processos químicos, está ficando mais difícil até mesmo com nossos supercomputadores mais poderosos. Precisamos de computadores quânticos para fazer isso. Como analogia, podemos simular algumas das características da sociedade humana usando macacos, mas há uma limitação. Precisamos de humanos para simular humanos e computadores quânticos para simular ou calcular características quânticas de materiais.

“Além da computação quântica, podemos explorar outras características da natureza onda-partícula da matéria. Uma característica importante das ondas é que elas interferem umas nas outras, criando padrões. Esses padrões são um importante recurso para medições extremamente precisas de distâncias, por exemplo. Os comprimentos de onda muito menores das partículas quânticas tornam os sensores quânticos muito mais precisos do que os sensores convencionais”. 

Professor Ian Walmsley : “Uma área que também está sendo explorada é a conjunção de IA e mecânica quântica. Eu acho que há dois aspectos nisso. Uma é: como usamos a IA para criar máquinas quânticas com mais facilidade ou melhorá-las? E a segunda é: a computação quântica ou qualquer forma de processamento quântico permite diferentes tipos de IA? Eu diria que o primeiro campo está se tornando mais avançado e acho que as pessoas estão reconhecendo que existe um potencial real ali. O segundo aspecto, penso eu, ainda está em sua infância. Ninguém ainda entende como é uma rede neural quântica, por exemplo, ou que tipo de recursos ela terá”.

Professor Ian Walmsley : “Existem certas categorias de algoritmos, que sabemos que nunca serão resolvidas em escala em nenhum computador de alto desempenho da geração atual, mas a computação quântica torna isso possível. Não é um substituto para tudo - é improvável que tenhamos uma versão quântica do Microsoft Word - mas haverá certas coisas na criptoanálise e nas simulações digitais em que os computadores quânticos serão capazes de fazer coisas que não podemos fazer atualmente, particularmente em simulação de novos materiais para medicamentos e saúde, por exemplo. Existem também problemas de logística como gestão de tráfego ou a possibilidade de simular sistemas mais complexos, como sistemas financeiros ou outras construções sociais.”

Dr. Joe Cotter: “A computação quântica tem o poder de ser transformadora. No momento não está totalmente pronto, mas várias pessoas aqui na Imperial e ao redor do mundo estão trabalhando para chegar a um ponto em que possa ser usado como uma tecnologia difundida.

“Existem algumas outras tecnologias quânticas que são um pouco mais maduras. Uma área é a detecção quântica, onde demonstramos que podemos fazer relógios muito, muito precisos, gravímetros mais sensíveis para pesquisar no subsolo e magnetômetros mais sensíveis para varreduras cerebrais, bem como sensores inerciais mais precisos que você poderia usar para um futuro satélite . -Sistema de navegação gratuito . Nós os implantamos em várias áreas, de hospitais a sistemas de transporte e navios reais, mas o que realmente precisamos fazer agora é projetar sistemas mais robustos, robustos e utilizáveis ??que possamos levar para fora para que as pessoas no mundo real possam usar essas tecnologias”.

 

Professora Sandrine Heutz - “As tecnologias quânticas exigirão nossa compreensão dos tipos certos de plataformas e materiais em um nível fundamental.

“Em todo o campus, essa pesquisa fundamental está acontecendo juntamente com os esforços para enfrentar os desafios da engenharia. Como criamos e caracterizamos materiais otimizados para tecnologias quânticas? Depois de conseguirmos isso, a ciência, a física e os materiais fundamentais podem se concentrar em cada componente - por exemplo, prolongar a vida útil do qubit ou redesenhá-lo para que funcione sem a necessidade de resfriamento criogênico, o que reduziria suas demandas de energia e melhorar a sustentabilidade.

“Então podemos começar a entender como os componentes quânticos individuais se unem para funcionar em um sistema quântico completo. Compreender e otimizar como esses componentes (e sua eletrônica de controle, interconexões e empacotamento) se unem, como eles interagem, tornará essas tecnologias quânticas uma realidade.”

Dr. Jess Wade - “Essas são, em última análise, tecnologias que irão beneficiar a sociedade, a economia e a segurança nacional - portanto, precisamos que o governo, o público, os contribuintes participem de tudo o que estamos criando. Felizmente, a Imperial é fantástica em envolver o público em ciência e engenharia emergentes – por exemplo, durante o Great Exhibition Road Festival anual – e envolvemos o público desde o início nas tecnologias que estamos tentando criar. Como podemos aproveitar esses relacionamentos, melhorar a confiança do público e criar tecnologias que a sociedade esteja pronta e entusiasmada para usar?

“Para se beneficiar totalmente da vantagem quântica, serão necessárias colaborações entre cientistas altamente qualificados e usuários finais inovadores. Concentrar-se no engajamento público, no desenvolvimento de habilidades e na construção de uma comunidade quântica diversificada ajudará a concretizar a promessa tecnológica da ciência quântica”.

Dr. Jess Wade: “O poder de convocação do Imperial será fundamental para nossos objetivos quânticos. A Imperial reúne pessoas com experiência em engenharia, física, materiais e química, desenvolvendo hardware e software para que as tecnologias quânticas tenham sucesso. Fazemos um trabalho fantástico ao unir engenheiros com cientistas que estão transformando avanços quânticos em realidade - dando a pessoas como Joe a eletrônica integrada de que ele precisa para fazer seus sensores de navegação funcionarem.

“Podemos fazer muito mais para tornar nossa comunidade mais diversa e inclusiva, acolhendo pessoas com diferentes formações e conjuntos de habilidades para levar as tecnologias quânticas a áreas que ainda não foram aplicadas. Uma das ambições do governo é que nos próximos dez anos o Reino Unido tenha formado 1.000 novos alunos de doutorado em tecnologias quânticas. Na Imperial, estamos fazendo muito para inspirar os alunos do ensino médio a considerar estudar essas disciplinas como física e ciência dos materiais na universidade, e ensinar e desenvolver habilidades práticas na graduação. Uma vez formados, é importante dar apoio e oportunidades a esses pesquisadores – o Imperial é um ótimo lugar para desenvolver carreiras quânticas de impacto. As universidades serão fundamentais para cumprir as ambições tecnológicas do governo.”

R – Professor Peter Haynes: “Nosso Centro de Engenharia Quântica, Ciência e Tecnologia (QueST) aborda a necessidade de reunir aqueles que trabalham na ciência fundamental com aqueles com experiência em engenharia, traduzindo as descobertas da ciência quântica em tecnologias quânticas transformadoras. Temos três temas: materiais para tecnologias quânticas, internet quântica e aplicações da computação quântica.

“Existe um certo grau de exagero sobre o quantum, e a experiência da Imperial nas aplicações da computação quântica pode ser útil para ajudar a indústria a dissipar parte disso. Dentro da Imperial, temos especialistas em computação quântica e algoritmos quânticos que sabem quais são os recursos atuais dos computadores quânticos e estão bem informados sobre quais serão suas perspectivas. Mas, ao mesmo tempo, a Imperial tem uma vasta comunidade de cientistas e engenheiros computacionais que colaboram ativamente com parceiros industriais na concepção de projetos e na resolução de problemas. Portanto, nossa comunidade de computação clássica entende bem qual é a agenda das empresas, e nossa comunidade quântica sabe o que os computadores quânticos podem fazer atualmente e o que poderão fazer no futuro. O que pretendemos fazer é reunir esses acadêmicos e indústrias para entender quais problemas serão realmente passíveis de computação quântica no futuro. Dessa forma, podemos trabalhar com empresas para ajudá-las a entender as partes de seus negócios que podem ser beneficiadas pela computação quântica e os prazos realistas envolvidos”